理解耗尽型 IGFET：设计、操作与 SPICE 分析

绝缘栅场效应晶体管（IGFET）是单极器件，像 JFET 一样：受控电流完全在单一半导体类型内流动，故无 PN 结被电流跨越。

器件内部 PN 结仅用于形成限制沟道电流的非导电耗尽区。该结本身从不通过电流。

原理图符号与物理图

下图为耗尽型 N 沟道 IGFET 原理图：

注意源极和漏极引线连接 N 沟道两端，而栅极连接到由薄绝缘屏障（通常为二氧化硅，沙子主要成分）隔开的金属板。这种金属-氧化物-半导体 (MOS) 结构是许多 IGFET 也称 MOSFET 的原因，尽管“IGFET”更好描述整个绝缘栅器件类别。

现代 IGFET 通常将衬底内部连接到源极，产生三端器件。下图反映此常见配置：

因衬底和源极电气公共，无电压可施加于内部 PN 结。因此，耗尽区不像 JFET 那样可扩展或塌陷；IGFET 操作取决于该耗尽区相对栅极的位移。

N 沟道 IGFET

施加正电压于栅极相对源极排斥耗尽区，拓宽 N 型沟道并增加导电性：

反转极性吸引耗尽区，收窄沟道并降低导电性：

绝缘栅允许控制电压任意极性，无正偏内部结风险——这是限制 JFET 的顾虑。虽标为“耗尽型”，器件可因栅源电压极性被耗尽（沟道收窄）或增强（沟道拓宽）。

为预测效应，匹配沟道掺杂类型（N 或 P 型）与源极电压符号。对 N 沟道器件，正栅极和负源极在介电层沟道侧累积电子以增强沟道。极性互换则从沟道移除电子，耗尽沟道并降低导电性。

P 沟道 IGFET

P 沟道器件遵循相同原理，但所需极性反转。以下图示说明偏置：

零栅源电压时，耗尽型 IGFET 在源漏间导通，但非全能力——不同于双极晶体管常关，或 JFET 常开。实际上表现为半开器件。

因栅极绝缘，IGFET 耐受任意极性栅源电压。PN 结受保护，源-衬底直接连接防止结两端电压差。

值得注意的是，D 型 IGFET 导通行为类似早期真空管，栅极电压可抑制或增强阴极与阳极间电子流。

D 型 IGFET 的 SPICE 仿真

以下 SPICE 运行说明耗尽型 IGFET 的恒流特性。

首先，栅极短路源极（0 V）且电源从 0 V 扫描至 50 V，漏极电流在整个范围稳定在 10 µA：

n-channel igfet characteristic curve m1 1 0 0 0 mod1 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

施加 –0.5 V 栅极电压再次扫描电源，受控漏极电流降至 2.5 µA：

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 0 3 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

相反，+0.5 V 栅极电压将电流增至 22.5 µA：

n-channel igfet characteristic curve m1 1 3 0 0 mod1 vin 3 0 dc 0.5 vammeter 2 1 dc 0 v1 2 0 .model mod1 nmos vto=-1 .dc v1 0 50 2 .plot dc i(vammeter) .end 

这些结果确认栅源电压与漏极电流的非线性关系，类似 JFET。约 –1 V 耗尽电压可夹断沟道，将漏极电流降至近零。确切夹断电压随器件规格变化。

IGFET 特性曲线

为不同栅极电压绘制多条特性曲线得出类似 JFET 族曲线的模式：

相关工作表：

• 绝缘栅场效应晶体管工作表