N沟通场效应管深度图解(1)工作原理及Multisim实例仿真

场效应晶体管（Field Effect Transistor, FET）简称场效应管，是一种由多数载流子参与导电的半导体器件，也称为单极型晶体管，它主要分型场效应管（Junction FET, JFET)和金属-氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide Semiconductor FET,MOSFET），属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、无二次击穿现象、安全工作范围宽等优点。

本节我们讲解一下N沟道增强型MOS场效应管，其基本结构如下图所示：

如上图所示，在一块P型硅片（半导体）衬底（Substrate，也有称为Bulk或Body）上，形成两个高掺杂的N+区，分别命名为源（Source）区与漏（Drain）区，从中引出的电极分别称为源极（S）与漏极（D）。在P型衬底表面覆盖薄薄的一层SiO2（二氧化硅）作为绝缘层，叫栅氧化层或栅绝缘层，再在上面覆盖一层金属（现今广泛使用多晶硅,Poly-Silicon），其引出的电极称为栅极（Gate, S），这就是金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)名称的由来。

其原理图符号应如下所示：

从结构上可以看出，MOS管是完全对称的，因此理论上源极S与漏极D是可以互换使用的。在MOS管中，源极为提供载流子的端子，而漏极为接收载流子的端子，源和漏的命名也由此而来，N沟通MOS管的源极通常连接至电路的最低电位，而P沟通MOS管的源极连接至电路的最高电位（为什么？）。

对于单个MOS场效应管，衬底B通常与源极S连接在一起，这样两个电极的电位是一致的，这样可以避免体效应引起阈值电压的漂移（后面会提到），因此，你看到的MOS场效应管符号可能如下图所示：

这样场效应管就应该如下图所示：

实际的场效应管通常把衬底电极B与源极电极S做在一起，因此，通常我们是看不到衬底电极的。由于N区与P型衬底之间存在PN结（也叫做耗尽层），因此上图中已经形成了两个二极管，如下图所示：

很明显，左边的那个PN结（二极管）因B极与S极的短接而相当于不存在，右侧的二极管则称为寄生二极管，它是由源极S指向漏极D，因此，我们也有可能看到如下图所示的MOS场效应管原理图符号：

下图来自国际整流器IR的NMOS场效应管IRFP150N数据手册：

下面我们来看看N沟通MOS场效应管的工作原理。假设初始状态如下图所示，即栅-源电压V_GS与漏-源电压V_DS均为0V，这种状态称为截止区，亦即漏极D与源极S之间是不导通的。

如果此时在漏-源两极之间施加正向电压V_DS，则仍然有一定的漏电流，我们称之为漏源泄漏电流I_DSS（Drain-to-Source Leakage Current），增强型MOS管的I_DSS很小，一般是uA级别，如下图所示：

当对栅极G与源极S施加正向电压V_GS时，在正向电场的作用力下，N区中的电子（多子）与P型衬底中的电子（少子）均被吸附到栅极下的衬底表面，并与P型衬底中空穴（多子）复合而形成负离子为主的空间电荷区，这个空间电荷区把两侧的空间电荷区连接起来，但这个时候的栅-源电压V_GS比较小，因此，漏极D与源极S仍然是不导通的（即截止区），如下图所示（关于电子与空穴复合可参考文章《二极管》）：

此时，也有相应的栅-源泄漏电流I_GSS（Gate-to-Source Forward Leakage），因为栅极与源极之间相当于两个平板，而S_iO₂绝缘层相当于平板之间的介质，因此形成的平板电容肯定会有一定的泄漏电流，此值越小表示栅极与源极之间的绝缘氧化层的绝缘性越好。

当栅-源电压V_GS继续增大时，N区与P型衬底中的电子被进一步吸附到栅极下的衬底表面，直到电子的浓度大于空穴浓度，原来两个N区中间的P型衬底变换为N型，并将两侧的N区连通。我们把刚刚能使源-漏两极之间能够导通的电压称为阈值电压V_GS(th)（Gate Threahold Voltage），此值取决于场效应管的工艺，绝缘层越薄（电势梯度越大），N+区掺杂浓度愈高（电子越多），衬底掺杂浓度愈低（则P衬底的空穴越小，需要复合的电子就越少），则相应的阈值电压就越小

这个导电沟通是由原来的P型衬底转变为N型的，因此也称为反型层。导电沟通也存在一定的电阻，我们称其为通态漏源电阻R_DS(on)（Static Drain-to-Source On-Resistance），显然，栅-源极间电压V_GS越大，则反型层中的自由电子浓度也相应越大，导电沟道也越深，因此R_DS(on)也越小，但是V_GS也有其最大值V_GSS，通常为±10V～20V左右，超过此值则栅-源极间可能会被击穿。

 

此时的N型导电沟道与P型衬底之间也形成了一个PN结，如下图所示：

原理图符号中的箭头方向与该PN结的方向是一致的，因此以后你就不用记什么“箭头指向栅极是N沟道”之类的口诀了，而原理图符号两侧的线段则分别表示栅极与源极，并且在默认情况下是不导通的，所以是三条虚线段。很容易可以预想到，耗尽型MOS管的原理图符号应该是一条实线，因为耗尽型MOS管在默认情况下源极与漏极之间是导通的，如下图所示：

另外，我们也应该看到，正是由于P型衬底与源极S连接在一起，当对栅-源两极之间施加V_GS正向电压时，才可以在相对较低的电场下也可以将P型衬底中的少子电子吸附过来，如果P型衬底没有与源极S相连接（悬空），或连接的是其它更高的电平，则由于P型衬底是悬空的（相当于栅-源电压找不到发力点），在正常的栅-源电压V_GS电压下很难形成导电沟通，继而使MOS管无法正常工作。

换句话讲，在相同的外部条件下，我们需要更大的栅-源电压V_GS才能形成N型导电沟道，亦即导致阈值电压V_GS(th)的变化（漂移），如下图所示：

此时源极S与漏极D之间是导通的，如果在两个电极之间施加V_DS正向电压，则会形成电流回路，如下图所示：

MOS管的漏-源极之间能通过的最大电流称为漏极电流I_D（Drain Current），也有些数据手册称为源极电流I_S（Source Current），其实两者是一致的。

同时我们也应该看到，相对于没有添加漏-源电压V_DS前（V_DS=0）的状态，栅-漏极之间的正向电压V_GD会因为V_DS的施加而减弱，即V_GD=V_GS-V_DS，也就是说，栅-源极的正向电场最强，产生的导电沟通最深，而越往漏极靠近，产生正向电场逐渐减弱，这样导致导电沟通的深度是不均匀的。

这种状态也称为非饱和区（Nonsaturation Region），也叫变阻区（Ohmic Region）

当漏-源电压V_DS增大到其值为V_GS-V_GS(th)时，由于V_GD形成的正向电场不足以在漏极端吸附足够的电子而造成N型沟道的消失，此时源极与漏极间也是不导通的。这种由V_DS引起沟道不导通的现象称之为预夹断。这种状态也称为饱和区（Saturation Region），也叫放大区（Active Region），使用场效应管组成的放大电路应工作在此种状态（与三极管的饱和区不一样）。

在MOS管的放大区，V_DS的存在使其产生预夹断，这时漏极电流I_D几乎不再受V_DS控制，即仅受控于栅-源电压V_GS，这与三极管的集电极电流I_C受控于基极电流I_B一样，只不过是由电压控制的电流源，它可以等效如下图所示：

当漏-源电压V_DS增大到某一程度时，漏极与P型衬底间的PN结引发雪崩击穿，此时电流迅速上升，MOS管进入到击穿区，如下图所示：

其中，V_(BR)DSS即漏-源击穿电压（Drain-to-Source Breakdown Voltage）

与三极管类型，MOS管也有相应的伏安特性曲线，但是MOS管输入栅极电流非常小，输入特性曲线就没有太大的必要，在共源极连接形式中，N沟道MOS管的输出特性曲线如下图所示：

我们用下图所示的电路对IRFP150进行输出特性曲线的仿真：

其中，XIV1为IV特性分析仪（IV-Analyzer），也就是伏安特性曲线分析仪，非常适合于测量分立半导体元件的伏安特性曲线，如二极管、三极管、场效应管等。

双击XIV1后，在弹出的对话框内进入 Simulate Parameters仿真参数设置界面，如下图所示进行设置：

再运行仿真（交互式仿真模式下）即可出现如下图所示的伏安特性曲线：

下图为IRFP150数据手册的参数：

读者可以对照之前的描述解读此规格书的电气参数，另外，还有一些寄生及延迟时间之类的参数，我们留待下一节讲解。

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