三极管和场效应管的结构及工作原理

制程

场效应管栅极的最小宽度(栅长)，就是XX nm工艺中的数值。栅极的宽度则决定了电流通过时的损耗，表现出来就是手机常见的发热和功耗，宽度越窄，功耗越低。

MOS管的开关信号由外部元件震荡电路或者波形发生器的波形提供。

三极管和场效应管

普通三极管是电流控制元件。通过基极电流控制集电极和发射集电流，信号源必须提供一定的电流才能工作。因此它的输入电阻较低，仅有110²~110⁴Ω。三极管有电子和空穴两种极性不同的载流子，同时起导电作用叫做双极型晶体管。

场效应管则是电压控制元件，它的输出电流决定于输入端电压的大小。基本上不需要信号源提供电流，所以它的输入电阻很高。可高达110⁹~110¹⁴Ω。场效应管热稳定性好，制造工艺简单，易于做成集成电路。场效应管只有一种载流子导电，称为单极型晶体管。

场效应管的结构和特征

场效应管分为绝缘栅型和结型两大类，绝缘绝缘栅场效应管有N型沟道和P型沟道，每种沟道又分增强型和耗尽型两种。

N型沟道增强型管子的结构如图。

构造

它是在一块空穴浓度较低的P型硅片衬底上制造出两个相距很近的电子浓度很高的N区，再用一薄层二氧化硅绝缘层覆盖在两个N区之间。在绝缘层上安置一片金属铝作为栅极G。两个N区分别引出电极，一个叫源极S，一个叫漏极D。栅极、源极、漏极互相绝缘，栅极靠电场效应工作，故称绝缘栅场效应管。由于这类管子是由金属铝层，二氧化硅和半导体硅组成，所以又称金属氧化物半导体场效应管，英文缩写为MOS管。衬底引线箭头方向由P指向N，表示是N沟道场效应管。

工作原理

当栅极和源极之间加上正电压时，在强电场作用下，P型衬底中的少数载流子电子被吸引到绝缘层下面P区的表面，电子除填充该处低浓度的空穴外，还形成一条电子沟道，把N型的源区S和漏区D联通起来，故称为N型导电沟道。电子从源极经过导电沟道向漏极漂移形成以电子为载流子的漏极电流。其导电能力靠栅极正偏压来增强，故称为N型沟道增强型MOS场效应管。

注意

场效应管有一个开启电压，当栅源极电压GS小于开启电压时没有漏极电流，当漏源极电压DS一定时，随着栅源极电压GS的增大，电子沟道增宽，漏极电流增大。称这条曲线为场效应管的转移特性。

由不同的栅源极电压GS可对应得到一簇漏极电流与漏源极电压的关系曲线称为漏极特性。类似于普通三极管的输出特性。从漏极特性可见，当漏源极电压DS大于饱和电压后，漏极电流变得平直，基本上与漏源极电压DS无关。

还有一种N型沟道耗尽型场效应管，它的结构和增强型相同。只是在制造管子时，其二氧化硅绝缘层含有大量的正离子。在栅极还未加电压时，氧化层下面的硅片表面上已形成N型沟道，使源极和漏极之间直接可以导电，栅极加负电压时，将排斥沟道内电子吸引空穴，使N型沟道中电子减少，因而漏极电流减小，当N型沟道中的电子耗尽时，使管子截止，此时栅源极间电压Gs称为管子的夹断电压，这种管子的转移特性如图。

除了P型硅衬底、N型沟道的MOS场效应管之外，还有N型硅衬底，P型沟道的MOS场效应管，表示后者的符号中，箭头方向和所加漏极电压极性正好与前者相反。这种管子也分增强型和耗尽型两种，所加栅压的极性也正好相反。

场效应管的主要参数和小信号微变等效电路

跨导表示场效应管放大性能的参数。它反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，单位为mA/V

击穿电压指管子工作时漏源极间和栅源极间允许加的最高电压。

直流输入电阻：在漏源极间短路，加有一定栅压时，栅源极间的电阻。通常在1×10⁷~1×10¹⁴Ω，使用时要防止栅极上感应电荷造成栅极电压升高，以致管子击穿。为防止损坏，栅极不可悬空，一般在栅源极间接上栅源电阻或稳压管，管子保存时需将各电极短路，焊接MOS管时电烙铁要有良好的接地，或先将烙铁断电再焊接。

根据场效应管的基本性能，它的简化微变等效电路如图所示。

输入电路只有动态电阻，其值极高，一般可按开路处理。

和三极管相似，输出电路也可忽略漏源极电压对漏极电流的影响，因此可以简化成受栅极电压控制的理想电流源。

场效应管放大电路

单管放大时输入信号和输出信号相位相反。

通常栅漏电阻选用兆欧级的电阻，场效应管放大电路的输入电阻要比三极管放大电路的输入电阻大的多。

触摸开关电路

电容通过人体充电后没有放电回路，电压基本不衰减，所以管子一直保持导通状态。

二极管使栅源极间在外电场干扰时，反向电压限制在0.7V以内，保护栅源极间的绝缘层。