絕緣柵場效應晶體管

絕緣柵場效應晶體管是利用半導體表面的電場效應進行工作的。由於它的柵極處於絕緣狀態，所以輸入電阻極高，可達105Ω。它和結型場效應晶體管的不同之處在於導電機理和電流控制原理不同。結型場效應晶體管利用耗盡層的寬度變化來改變導電溝道的寬窄，達到控制漏極電流的目的。絕緣柵型場效應晶體管則利用半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少來改變導電溝道的寬窄，達到控制電流的目的。絕緣柵場效應晶體管中，常用二氧化硅(Si)為金屬柵極和半導體之間的絕緣層即金屬一氧化物半導體，簡稱MOS(meta-loxide-semconuctor)管，因此絕緣柵場效應晶體管又稱MOSFET。它有N溝道和P溝道兩類，而每一類又分增強型和耗盡型兩種。增強型就是在uGS=0時，漏源之間沒有導電溝道；反之，在uGS=0時，漏源之間存在導電溝道的稱為耗盡型。

它以一塊雜質濃度較低的P型矽片為襯底b，在其中擴散兩個N區作為電極，分別稱為源極s和漏極d。半導體表面覆蓋Si絕緣層，在漏源之間的絕緣層上再製造一層金屬鋁，稱為柵極g。柵極與源極、漏極之間均是絕緣的。

MOS管的襯底和源極通常是接在一起的。從圖2中可看出，當柵源電壓uGS=0時，由於漏源之間有兩個背向的PN結，當漏源電壓為正時，漏極與襯底之間的PN結加的是反向偏壓，漏極與源極之間不可能形成導電溝道，因此，漏極電流iD等於零。

當柵極與源極之間加上一個小的正向電壓uGS時，則在SiO的絕緣層中，產生一個垂直於半導體表面、由柵極指向P型襯底的電場。這個電場排斥空穴而吸引電子，使靠近二氧化硅一側P型材料中的空穴被排斥，形成耗盡層。當柵源電壓uGS增大到一定值后，則在P型材料的表面感應出許多自由電子，形成一個N型薄層。這個在P型材料中形成的N型層，稱為“反型層”，構成了漏源之間的導電溝道，其厚度隨著柵源電壓uGS進一步增大而增加。當漏源之間形成導電溝道后，如果加上正的漏源電壓uDS，便產生漏極電流iD。在漏源電壓作用下，開始產生漏極電流iD時的柵源電壓稱為開啟電壓UT。由於這類場效應晶體管僅當uGS>UT后才出現漏極電流iD，故稱為“增強型”。

如果在製造時，把襯底改為N型，漏極與源極為P型，則可構成P溝道增強型或耗盡型場效應管，其工作原理與N型溝道場效應管相同。使用時UGG、UDD的極性應與N溝道MOS管相反。

MOS管在使用時襯底和源極通常是接在一起的，>如果需要分開，則襯源間的電壓uBS必須保證襯源間的PN結是反向偏置，即NMOS管的UBS為負，PMOS管的UBS為正。

(1)開啟電壓UT：在uDS為某一固定值的條件下能產生iD所需要的最小|UGS|值。

(2)夾斷電壓UP：在uDS為某一固定值的條件下，使iD等於某一微小電流(便於測量)時所對應的uGS。

(3)飽和漏極電流IDSS：在uGS=0的條件下，當uDS>Up時的漏極電流。

(4)直流輸入電阻RGS(DC)：柵源電壓和柵極電流的比值。

(5)低頻跨導gm：在uDS為某一固定值的條件下，iD的微小變化量和引起它變化的uGS的微小變化量之間的比值，即g的單位為S(西)或mS。

(6)極間電容：場效應管的三個電極之間存在極間電容，即柵源電容CGS、柵漏電容CGD和漏源電容CDS。CGS、CGD的數值一般為1～3pF，CDS約為0.1～1pF。管子用於高頻電路時，要考慮這些電容的影響。

(7)最大漏極電流IDM：管子在工作時允許的最大漏極電流。最大耗散功率PDM，是決定管子溫升的主要參數。

(8)漏源擊穿電壓U(BR)DS和柵源擊穿電壓U(BR)GS：在增加漏源電壓uDS時，使iD開始劇增時的uDS稱為U(BR)DS;使柵源間PN結反向飽和電流(即柵極電流)急劇增加時的反向電壓uGS稱為U(BR)GS。

MOS場效應管的輸入電阻極高，因此，由外界靜電感應所產生的電荷不易泄漏，而柵極上的SiO2絕緣層又很薄，將在柵極上產生很高的電場強度，以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。為此，管子在存放時，應將各極引線短接。焊接時，要將電烙鐵外殼接上可靠地線，或者在焊接時，將電烙鐵與電源暫時脫離。目前，常在MOS管輸入端加置保護措施。保護方法很多，但原理都一樣，就是在輸入端與柵極之間設置一個串聯限流電阻和一個並聯的鉗位保護電路。圖5所示是常用的一種保護電路。當發生過電壓時(無論是正向還是反向)，V1或V2中總有一隻管子呈穩壓狀態，電流通過R產生電壓降，從而限制了加在g、s間的正、負方向的電壓，起到保護管子的作用。