場效應晶體管（Field Effect Transistor, FET）簡稱場效應管，是一種由多數載流子參與導電的半導體器件，也稱為單極型晶體管，它主要分型場效應管（Junction FET, JFET)和金屬-氧化物半導體場效應管（Metal-Oxide Semiconductor FET,MOSFET），屬于電壓控制型半導體器件，具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、無二次擊穿現象、安全工作范圍寬等優點。

本節我們講解一下N溝道增強型MOS場效應管，其基本結構如下圖所示：

如上圖所示，在一塊P型硅片（半導體）襯底（Substrate，也有稱為Bulk或Body）上，形成兩個高摻雜的N+區，分別命名為源（Source）區與漏（Drain）區，從中引出的電極分別稱為源極（S）與漏極（D）。在P型襯底表面覆蓋薄薄的一層SiO2（二氧化硅）作為絕緣層，叫柵氧化層或柵絕緣層，再在上面覆蓋一層金屬（現今廣泛使用多晶硅,Poly-Silicon），其引出的電極稱為柵極（Gate, S），這就是金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)名稱的由來。

其原理圖符號應如下所示：

從結構上可以看出，MOS管是完全對稱的，因此理論上源極S與漏極D是可以互換使用的。在MOS管中，源極為提供載流子的端子，而漏極為接收載流子的端子，源和漏的命名也由此而來，N溝通MOS管的源極通常連接至電路的最低電位，而P溝通MOS管的源極連接至電路的最高電位（為什么？）。

對于單個MOS場效應管，襯底B通常與源極S連接在一起，這樣兩個電極的電位是一致的，這樣可以避免體效應引起閾值電壓的漂移（后面會提到），因此，你看到的MOS場效應管符號可能如下圖所示：

這樣場效應管就應該如下圖所示：

實際的場效應管通常把襯底電極B與源極電極S做在一起，因此，通常我們是看不到襯底電極的。由于N區與P型襯底之間存在PN結（也叫做耗盡層），因此上圖中已經形成了兩個二極管，如下圖所示：

很明顯，左邊的那個PN結（二極管）因B極與S極的短接而相當于不存在，右側的二極管則稱為寄生二極管，它是由源極S指向漏極D，因此，我們也有可能看到如下圖所示的MOS場效應管原理圖符號：

下圖來自國際整流器IR的NMOS場效應管IRFP150N數據手冊：

下面我們來看看N溝通MOS場效應管的工作原理。假設初始狀態如下圖所示，即柵-源電壓V_GS與漏-源電壓V_DS均為0V，這種狀態稱為截止區，亦即漏極D與源極S之間是不導通的。

如果此時在漏-源兩極之間施加正向電壓V_DS，則仍然有一定的漏電流，我們稱之為漏源泄漏電流I_DSS（Drain-to-Source Leakage Current），增強型MOS管的I_DSS很小，一般是uA級別，如下圖所示：

當對柵極G與源極S施加正向電壓V_GS時，在正向電場的作用力下，N區中的電子（多子）與P型襯底中的電子（少子）均被吸附到柵極下的襯底表面，并與P型襯底中空穴（多子）復合而形成負離子為主的空間電荷區，這個空間電荷區把兩側的空間電荷區連接起來，但這個時候的柵-源電壓V_GS比較小，因此，漏極D與源極S仍然是不導通的（即截止區），如下圖所示（關于電子與空穴復合可參考文章《二極管》）：

此時，也有相應的柵-源泄漏電流I_GSS（Gate-to-Source Forward Leakage），因為柵極與源極之間相當于兩個平板，而S_iO₂絕緣層相當于平板之間的介質，因此形成的平板電容肯定會有一定的泄漏電流，此值越小表示柵極與源極之間的絕緣氧化層的絕緣性越好。

當柵-源電壓V_GS繼續增大時，N區與P型襯底中的電子被進一步吸附到柵極下的襯底表面，直到電子的濃度大于空穴濃度，原來兩個N區中間的P型襯底變換為N型，并將兩側的N區連通。我們把剛剛能使源-漏兩極之間能夠導通的電壓稱為閾值電壓V_GS(th)（Gate Threahold Voltage），此值取決于場效應管的工藝，絕緣層越薄（電勢梯度越大），N+區摻雜濃度愈高（電子越多），襯底摻雜濃度愈低（則P襯底的空穴越小，需要復合的電子就越少），則相應的閾值電壓就越小

這個導電溝通是由原來的P型襯底轉變為N型的，因此也稱為反型層。導電溝通也存在一定的電阻，我們稱其為通態漏源電阻R_DS(on)（Static Drain-to-Source On-Resistance），顯然，柵-源極間電壓V_GS越大，則反型層中的自由電子濃度也相應越大，導電溝道也越深，因此R_DS(on)也越小，但是V_GS也有其最大值V_GSS，通常為±10V～20V左右，超過此值則柵-源極間可能會被擊穿。

此時的N型導電溝道與P型襯底之間也形成了一個PN結，如下圖所示：

原理圖符號中的箭頭方向與該PN結的方向是一致的，因此以后你就不用記什么“箭頭指向柵極是N溝道”之類的口訣了，而原理圖符號兩側的線段則分別表示柵極與源極，并且在默認情況下是不導通的，所以是三條虛線段。很容易可以預想到，耗盡型MOS管的原理圖符號應該是一條實線，因為耗盡型MOS管在默認情況下源極與漏極之間是導通的，如下圖所示：

另外，我們也應該看到，正是由于P型襯底與源極S連接在一起，當對柵-源兩極之間施加V_GS正向電壓時，才可以在相對較低的電場下也可以將P型襯底中的少子電子吸附過來，如果P型襯底沒有與源極S相連接（懸空），或連接的是其它更高的電平，則由于P型襯底是懸空的（相當于柵-源電壓找不到發力點），在正常的柵-源電壓V_GS電壓下很難形成導電溝通，繼而使MOS管無法正常工作。

換句話講，在相同的外部條件下，我們需要更大的柵-源電壓V_GS才能形成N型導電溝道，亦即導致閾值電壓V_GS(th)的變化（漂移），如下圖所示：

此時源極S與漏極D之間是導通的，如果在兩個電極之間施加V_DS正向電壓，則會形成電流回路，如下圖所示：

MOS管的漏-源極之間能通過的最大電流稱為漏極電流I_D（Drain Current），也有些數據手冊稱為源極電流I_S（Source Current），其實兩者是一致的。

同時我們也應該看到，相對于沒有添加漏-源電壓V_DS前（V_DS=0）的狀態，柵-漏極之間的正向電壓V_GD會因為V_DS的施加而減弱，即V_GD=V_GS-V_DS，也就是說，柵-源極的正向電場最強，產生的導電溝通最深，而越往漏極靠近，產生正向電場逐漸減弱，這樣導致導電溝通的深度是不均勻的。

這種狀態也稱為非飽和區（Nonsaturation Region），也叫變阻區（Ohmic Region）

當漏-源電壓V_DS增大到其值為V_GS-V_GS(th)時，由于V_GD形成的正向電場不足以在漏極端吸附足夠的電子而造成N型溝道的消失，此時源極與漏極間也是不導通的。這種由V_DS引起溝道不導通的現象稱之為預夾斷。這種狀態也稱為飽和區（Saturation Region），也叫放大區（Active Region），使用場效應管組成的放大電路應工作在此種狀態（與三極管的飽和區不一樣）。

在MOS管的放大區，V_DS的存在使其產生預夾斷，這時漏極電流I_D幾乎不再受V_DS控制，即僅受控于柵-源電壓V_GS，這與三極管的集電極電流I_C受控于基極電流I_B一樣，只不過是由電壓控制的電流源，它可以等效如下圖所示：

當漏-源電壓V_DS增大到某一程度時，漏極與P型襯底間的PN結引發雪崩擊穿，此時電流迅速上升，MOS管進入到擊穿區，如下圖所示：

其中，V_(BR)DSS即漏-源擊穿電壓（Drain-to-Source Breakdown Voltage）

與三極管類型，MOS管也有相應的伏安特性曲線，但是MOS管輸入柵極電流非常小，輸入特性曲線就沒有太大的必要，在共源極連接形式中，N溝道MOS管的輸出特性曲線如下圖所示：

我們用下圖所示的電路對IRFP150進行輸出特性曲線的仿真：

其中，XIV1為IV特性分析儀（IV-Analyzer），也就是伏安特性曲線分析儀，非常適合于測量分立半導體元件的伏安特性曲線，如二極管、三極管、場效應管等。

雙擊XIV1后，在彈出的對話框內進入 Simulate Parameters仿真參數設置界面，如下圖所示進行設置：

再運行仿真（交互式仿真模式下）即可出現如下圖所示的伏安特性曲線：

下圖為IRFP150數據手冊的參數：

讀者可以對照之前的描述解讀此規格書的電氣參數，另外，還有一些寄生及延遲時間之類的參數，我們留待下一節講解。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的N沟通场效应管深度图解(1)工作原理及Multisim实例仿真的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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