浅析绝缘栅增强型场效应管沟道类型和工作区类型的判别

曹燕 冉婷 初广前

摘  要：模拟电子技术基础是电气类、自动化类、电子通信类专业的专业基础课，在教学过程中，学生普遍反映场效应管这部分知识比较难学，根据多年的教学积累，笔者归纳总结了绝缘栅增强型场效应管沟道类型和工作区域的判别规则。根据已给的开启电压或夹断电压，还有栅极、漏极和源极电压，通过场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线，即可得到判别结果。实践证明，该判决规则行之有效，解決了学生学习中的难题。

关键词：绝缘栅  增强型场效应管  沟道类型  工作区类型

Abstract： The foundation of analog electronic technology is a professional basic course for electrical， automation， and electronic communication majors. During the teaching process， students generally report that the knowledge of field effect transistors is difficult to learn. Based on years of teaching accumulation， the author summarizes the distinguish rules of the insulation barrier reinforcement field effect transistor for channel type and working area type. According to the given turn-on voltage or pinch-off voltage， as well as the gate， drain and source voltages， through the transfer characteristic curve and output characteristic curve of the field effect transistor， the judgment result can be obtained. Practice has proved that the judgment rule is effective and it solves the problems in students' learning.

Key Words： Insulation gate; Enhanced field effect transistor; Channel type; Work area type

场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高，噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强，且比双极型晶体管耗电省。

场效晶体管按结构的不同可分为结型场效晶体管和绝缘栅场效晶体管，绝缘栅场效晶体管根据工作状态不同分为增强型与耗尽型两类，每类又有N沟道和P沟道之分，该文仅讨论绝缘栅增强型场效晶体管的沟道类型和工作区类型的判别。

1  绝缘栅增强型场效应管的结构及电路符号

绝缘栅增强型场效应管的结构示意图如图1所示。在图1（a）中，用一块杂质浓度较低的P型薄硅片作为衬底，其上扩散两个相距很近的高掺杂 型区，并在硅片表面生成一层薄薄的二氧化硅绝缘层。再在两个 区之间的二氧化硅的表面及两个区的表面分别安置3个电极：栅极G、源极S和漏极D。

按照类似的方法可以制成P沟道绝缘栅增强型场效应管，如图2所示，它的工作原理与N沟道相似，只是要调换电源的极性，电流方向也相反。

图2是绝缘栅增强型场效应管N沟道和P沟道电路符号图，从图2可以看出，箭头流向场效应管是N沟道，箭头流出场效应管是P沟道[3]。

2  绝缘栅增强型场效应管的转移特性曲线

图3描述的是N沟道和P沟道绝缘栅增强型场效应管转移特性曲线。转移特性曲线描述当漏-源电压UDS为常量时，漏极电流iD与栅-源源电压UGS之间的函数关系，即iD=f（UGS）∣UDS=常数。

从图3可以看出绝缘栅增强型N沟道转移特性曲线在第一象限，曲线与横轴的交点在横轴的正半轴，因此开启电压大于零，即UGS（on）>0;绝缘栅增强型P沟道转移特性曲线在第三象限，曲线与横轴的交点在横轴的负半轴，因此开启电压小于零，即UGS（on）<0。

3  绝缘栅增强型场效应管的输出特性曲线

场效应管输出特性曲线描述的是：当栅-源电压UGS为常数时，漏极电流iD与漏-源电压UDS之间的函数关系，即iD=f（UDS）∣UGS=常数[4]。

对应于一个UGS，就有一条曲线，因此，输出特性为一族曲线。

图4描述的是N沟道和P沟道绝缘栅增强型场效应管输出特性曲线，从图4可以看出绝缘栅增强型N沟道转移特性曲线在第一象限，绝缘栅增强型P沟道转移特性曲线在第三象限[5]，UDS<0。

4  绝缘栅增强型场效应管的工作区（以N沟道绝缘栅增强型场效应管为例）

从绝缘栅增强型N沟道场效应管的输出特性曲线可以看出，场效应管有3个工作区域和一个非工作区域击穿区[6]。（1）可变电阻区（也称非饱和区）：输出特性曲线中靠近纵轴的虚线为予夹断轨迹，它是各条曲线上预夹断电压点连接而成的平滑曲线。UGS越大，予夹断时的UDS值也越大。予夹断轨道的左边区域为可变电阻区，该区域中的曲线近似为不同斜率的直线，当UGS确定时，直线的斜率也唯一地被确定。（2）恒流区（也称非饱和区）：输出特性曲线中予夹断轨迹右边区域，击穿区左边的区域为恒流区，各曲线近似为一族横轴的平行线。（3）夹断区（也称截止区）：当UGS

5  绝缘栅增强型场效应管沟道类型和工作区的判别

5.1 绝缘栅增强型场效应管工作在恒流区的必要条件

从绝缘栅增强型场效应管的输出特性曲线可以看出[7]：N沟道输出特性曲线在第一象限，因此，UDS>0;P沟道输出特性曲线在第三象限，因此UDS<0。绝缘栅增强型场效应管工作在恒流区的必要条件，N沟道：UGS>0，UDS>0;P沟道UGS<0，UDS<0。

5.2 绝缘栅增强型场效应管工作状态的判别规则步骤

步骤1：观察转移特性曲线，根据夹断电压和UDS判断沟道类型。如果夹断电压大于零且UDS>0，则为绝缘栅增强型N沟道;如果夹断电压小于零且UDS<0，则为绝缘栅增强型P沟道。

步骤2：观察转移特性曲线，判断工作在截止区或非截至止区。计算UGS，对于N沟道，如果UGS小于夹断电压，则工作在截止区;如果UGS大于夹断电压，则工作在非截止区。对于P沟道，如果UGS大于夹断电压，则工作在截止区;如果UGS小于夹断电压，则工作在非截止区。

步骤3：观察输出特性曲线，判断工作在恒流区或可变电阻区。计算预夹断电压UGS-UGS（off）和UDS。对于N沟道，如果UDS大于预夹断电压，则工作在恒流区，否则工作在可变电阻区;对于P沟道，如果UDS大于预夹断电压，则工作在可变电阻区，否则工作在恒流区。

步骤4：结论。

5.3 举例

6  结语

模拟电子技术基础课是电类专业学生一门非常重要的基础课，它与电路和数字电子技术共同构成了硬件基础模块。学好模拟电子技术基础课，对电子、通信类专业的学生是至关重要的。该文分析了绝缘栅增强型场效应管沟道类型和工作区域的判别，对这部分知识的学习起到画龙点睛的作用。

参考文献

[1] 康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2015：33-45.

[2] 童詩白，华成英.模拟电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2015：198-233.

[3] 曹瑞彬.高压氮化镓绝缘栅型光电导开关的关键工艺研究[D].西安理工大学，2018.

[4] 张丽妮.新型绝缘栅型光电导开关的器件设计与优化[D].西安理工大学，2018.

[5] 段鹏冲.深槽绝缘栅型光电导开关的关键工艺研究[D].西安理工大学，2020.

[6] 阿里.压包式绝缘栅双极型晶体管失效分析[D].华北电力大学，2018.

[7] 李亚妮.绝缘栅双极型晶体管失效分析和可靠性评估研究[D].华北电力大学，2016.

[8] 吴婷.张模拟电路答疑解惑与典型题解[M].北京：北京邮电大学出版社，2015：19-20.