結構
圖為厚度方向的P-N-P結合體, 當中作N型基極,結合於其兩側的P型半導體和N型半導體的一端之間接反偏電壓E,信號電壓E與其串聯。
E存在的瞬間,如果認為P-N結合體的反電壓增加,N型半導體的施主電子被吸向電源一側,由於在基極內產生施主電子密度的少量間隙,對負載電源E來說,N型半導體的電導率下降,流過R的i減小,因此,負載電流受輸入信號E控制。
負載電流i由E的大小及N型半導體的濃度而定。這種電晶體,由於噪舌係數高,運用範圍受到限制。
分類
根據結構的不同,單極電晶體(場效應管)可分為絕緣柵型場效應管(insulated gate field-effect transistor,IGFET)和結型場效應管(iunction field-effect transistor,JFET)兩大類。前者更普遍地稱為金屬-氧化物-半導體場效應管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor,MOSFET)或MOS管。若根據導電溝道的類型,場效應管可分為N溝道和P溝道兩種,若按溝道形成方式,又可區分為增強型和耗盡型兩種。儘管場效應管種類很多,但它們都是通過改變半導體材料內部的電場控制電流大小。各種場效應管的電路分析模型也基本一致。
原理
以N溝道增強型MOS場效應管為例說明其工作原理。N溝道增強型MOS管的結構模型如圖1所示,它由兩個背靠背的PN結組成。
圖2是實際結構示意圖,它以低摻雜P型矽片為襯底,用擴散工藝在上面形成兩個高摻雜的N 小區,並分別用引線引出,一個作為源極S,另一個作為漏極d。在矽片表面用生長法製造了一層二氧化矽絕緣薄膜,厚度不到0.1μm,而絕緣電阻卻高達10 10 Ω量級。通常蓋在S和d之間的二氧化矽薄層上,形成柵極g。
N溝道增強型MOS管的電路符號如圖3所示。箭頭方向表示P襯底指向N溝道,三根短線分別代表源s、漏d和襯底b。同時也表示在開路狀態下,d、s之間是不通的,因為中間僅有兩個背靠背的PN結,沒有導電通道。
MOS管的襯底b和源極S通常是接在一起的。若將源、漏極短路,在柵、源之間加正電壓υ,如圖4所示,則在柵極和P襯底之間的SiO中產生指向P襯底的電場。該電場排斥P襯底中的多數載流子空穴,在柵極覆蓋的SiO,絕緣薄層下面形成耗盡層。當柵源電壓超過某一電壓值V時,P襯底中的少數載流子在強大電場作用下就會聚集到柵極下面,形成N型薄層,因其類型與襯底類型相反,故稱為反型層。反型層與源、漏極的N 區搭接,則形成一個可導電的N型感生溝道。控制柵源電壓V,可控制導電溝道的寬度,改變漏源問的電阻。閾值電壓V稱為增強型MOS管的開啟電壓。
優點
場效應管是一種利用電場效應來控制電流大小的半導體器件。這種器件不僅具有輸入阻抗高、功耗低、熱穩定性好、抗輻射能力強的優點,而且在積體電路中占用面積小、製造工藝簡單。所以在模擬和數字積體電路,特別是大規模和超大規模積體電路中得到了廣泛套用。