场效应管

1.4 场效应三极管（JFET ）场效应三极管参与导电的有一种极性的载流子：多子，因此叫单极型三极管，又因这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以又称为场效应三极管，它是一种电压控制器件，通过栅源电压GS u 来控制漏极电流D i ，在放大区，D i 的值主要取决于GS u ，而基本上与u DS 无关，常常通过跨导 来描述双极型三极管的放大作用；因场效应管只有多子参与导电，且多子的浓度不易受温度光照等环境影响，所以与双极型三极管相比，噪声小，不易受外界温度和辐射影响；场效应管因D 极与S 极PN 结反偏，输入电阻很高，栅极几乎不摄取电流，因此输入电阻很大，结型场效应管一般在107Ω以上，MOS 场效应管则高达1010Ω。

双极型三极管参与导电的有两种极性的载流子：多子和少子。

场效应管根据结构和工作原理不同可分为两大类，一类是结型场效应管，另一类是绝缘栅型场效应管。

它们都只有一种载流子(多子)参与导电,所以场效应管被称为单极型器件。

结型场效应管1.4.1结型场效应管的结构结型场效应管(Junction Field Effect Transistor)简称JFET ，有N 沟道JFET 和P 沟道JFET 之分。

图给出了JFET 的结构示意图及其表示符号。

N(P)沟道JFET ，是在一根N （P ）型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P +型（N +）区，则在P +（N +）区和N （P ）区的交界处形成两个PN 结，将两个P +（N +）区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN 结之间的N （P ）型半导体构成导电沟道，一端引出源极，另一端引出漏极（源极和漏极可以互换）。

在源极和漏极两个电极间加上一定电压，便在沟道中形成电场，在此电场作用下，形成由多数载流子——自由电子产生的漂移电流。

将电子发源端称为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。

根据导电沟道的不同，分为N 沟道结型场效应管（其导电沟道是N 型） 和P 沟道结型场效应管（其导电沟道是P 型）1.4.2结型场效应管的原理（N 沟道结型场效应管的U GS 与P 沟道结型场效应管的U GS 方向相反） 1、U GS 对I D 的控制作用在G 极和S 极之间加上反向电压U GS ，使G 极和导电沟道之间的两个PN 结反向偏置，就可以通过改变U GS 大小来改变耗尽层的宽度。

当反向电压|U GS |变大时，耗尽层将变宽，于是导电沟道相应变小，使沟道本身电阻增大，于是，漏极电流I D 减小。

由于导电沟道的半导体材料参杂浓度相对较低，而G 极一边的参杂浓度相对较高，因此当反向偏压值生高时，耗尽层总的宽度将随之增大。

但交界面两侧耗尽层的宽度并不相等，而是导电沟道一侧正离子数目与G 极一侧负离子数目相等。

因此，掺杂程度低的导电沟道中耗尽层的宽度比高掺杂的G 极一侧耗尽层的宽度大得多。

可以认为，当反向偏压增大时，耗尽层主要向着导电沟道一侧展宽。

(1)设U DS =0，即将D 极和S 极短接，同时在G 极和S 极之间加上负电源U GS ，然后改变U GS 的大小，观察耗尽层的变化情况。

（以N 沟道为例，P 沟道的U GS 与N 沟道的相反）当U GS =0时，耗尽层比较窄，导电沟道比较宽。

当|U GS |由0逐渐增大时，耗尽层逐渐加宽，导电沟道相应变窄。

当U GS =U P 时，两侧的耗尽层合拢在一起，导电沟道被夹断，所以，将U P 称为夹断电压。

N （P ）沟道结型场效应管的U P 是一个负（正）值。

如图。

∇∇=u i |β(b )(a )结型场效应管的结构示意图及其表示符号(a)N 沟道JFET ；(b)P 沟道JFET由于U DS=0，即D极和S极之间没有外加电压，所以虽然U GS变化导致导电沟道的随之变化，但漏极电流I D 始终为0。

1.4.3三极管的电流分配关系栅源电压U GS对沟道的控制作用示意图（a）U GS =0，沟道最宽，（b）U GS负压增大，沟道变窄，（c）U GS负压进一步增大，沟道夹断。

(2)设U DS=U DD>0，即将D极和S极外加一个正电压，然后仍在G极和S极之间加上负电源U GS，改变U GS 的大小，观察耗尽层和I D的变化情况。

（以N沟道为例，P沟道的U GS与N沟道的相反）当U GS=0时，耗尽层比较窄，导电沟道比较宽，因此沟道的电阻较小，加上正向电压U DS时，漏极和和源极之间将有一个较大的电流I D。

但沿着导电沟道各处耗尽层的宽度并不相等，靠近漏极耗尽层处最宽，而靠近源极处最窄。

这是由于当I D流过沟道时，沿着沟道的方向产生一个电压降落，因此沟道上各点的电位不同，因而各点与栅极之间的电位差也不相等。

沟道上靠近漏极的地方电位最高，U GD=-U DD，则PN结上的反向偏压也最大，因而耗尽层最宽，而沟道靠近源极处电位最低，PN结上的反向偏压也最小，因而耗尽层宽度也最窄。

(a) U GS=0,U DG<|U P|,I D较大(b) U GS<0,U DG<|U P|,I D较小(c) U GS<0,U DG=|U P|,I D更小，预夹断(d) U GS≤ U P,U DG>|U P|,I D≈0,夹断当使U GS <0，耗尽层宽度增大，导电沟道相应变窄，沟道电阻增大，因而漏极电流I D 将减小。

将|U GS |的值增大，则耗尽层继续展宽，导电沟道相应变窄，因而I D 将随之继续减小，当|U GS |的值增大到U GD = U P 时（U DG +U GS =U DS ），栅极和漏极之间的耗尽层开始碰在一起，这种情况称为预夹断。

2、U DS 对I D 的影响当U GS 值固定，且|U GS |<|U P |时，在漏源电压U DS 作用下，沟道中有电流I D 流过，由于沟道存在一定的电阻，因此，I D 沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位差不再相等，漏极端最高，源极端最低，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小。

在U DS 较小时，它对I D 的影响从两个角度来分析：一方面U DS 增加时，沟道的电场强度增大，I D 随着增加；另一方面，随着U DS 的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，I D 应该下降，但由于U DS 较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极端的沟道仍然放宽，即U DS 对沟道电阻影响不大，故I D 随U DS 的增加而增加。

随着U DS 的增加，靠近漏极一端的PN 结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，I D 随U D 上升的速度趋缓。

当U DS 增加到U DS =U GS -U P ，即U GD =U GS -U DS =U P 时，漏极附近的耗尽层即在漏极处合拢，这种状态称为预夹断，预夹断后，漏极电流I D ≠0，因为此时沟道依然存在，沟道内的电场仍能够使多数载流子作漂移运动，并被电场拉向漏极。

若U DS 继续增加，使U DS >U GS -U P ，即U GD <U P 时，耗尽层合拢部分会增加，即自漏极向源极方向延伸，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流I D 基本上趋于饱和，即I D 不随U DS 的增加而增加。

因为这时夹断区电阻很大，U DS 的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而I D 基本不变。

但当U DS 增加到大于某一极限值U （BR ）DS 后，漏极一端PN 结发生雪崩击穿，I D 会急剧增加。

正常工作时，U DS 不能超过U （BR ）DS 。

1.4.3 结型场效应管的特性曲线结型场效应管的特性曲线是指各极间电压与各极电流间的关系曲线。

1、转移特性曲线当U DS 不变时，漏极电流i D 与栅源电压u GS 的关系称为转移特性，其表达式理论分析和实测结果表明，i D 与u GS 符合平方律关系，即式中：I DSS ——饱和电流，表示u GS =0时的i D 值；U P ——夹断电压，表示u GS =U P 时i D 为零。

为了使输入阻抗大(不允许出现栅流i G )，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN 结一定要反偏，所以在N(P)沟道JFET 中，u GS 必须为负(正)值。

2、输出特性曲线当U GS 不变时，漏极电流i D 与漏源电压u DS 的关系称为转移特性，其表达式根据特性曲线的各部分特征，我们将其分为四个区域：（1）恒流区当U GSoff <U GS <0时，u GS 变化，曲线平移，i D 与u GS 符合平方律关系， u GS 对i D 的控制能力很强。

(2)U GS 固定，u DS 增大，i D 增大极小。

说明在恒流区，u DS 对i D 的控制能力很弱。

这是因为，当u DS 较大时，U DG 增大，靠近漏区的PN 结局部变厚，当|u DS -u GS |>|U GSoff | 时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，此后，u DS 再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。

所以u DS 的变化对i D 影响很小。

C u GSD DS u f i ==)(2)1(PGS DSS D U u I i -=Cu DS D GS u f i ==)(（2）可变电阻区当u DS 很小，|u DS -u GS |<|U GSoff |时，即预夹断前(如图所示)，u DS 的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响i D 的大小。

所以在此区域，随着u DS 的增大， i D 增大很快。

与双极型晶体管不同，在JFET 中，栅源电压u GS 对i D 上升的斜率影响较大，随着|U GS |增大，曲线斜率变小，说明JFET 的输出电阻 变大。

(如图所示)（3）截止区当|U GS |>|U GSoff |时，沟道被全部夹断，i D =0，故此区为截止区。

若利用JFET 作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。

（4）击穿区随着u DS 增大，靠近漏区的PN 结反偏电压u DG (=u DS -u GS )也随之增大。

绝缘栅场效应管1.5.1绝缘栅场效应管的结构与工作原理(以N 沟道增强型MOS 场效应管为例)绝缘型场效应管(Insulated GateField Effect Transistor)简称IGFET ，有N 沟道IGFET 和P 沟道IGFET 之分。

N 沟道IGFET 和P 沟道IGFET 又可分为增强型IGFET 和耗尽型IGFET 。

IGFET 由金属、氧化物和半导体制成，因此又称为金属氧化物—半导体场效应管，或简称MOS 场效应管。

其中图(a)为立体结构示意图，图(b)为平面结构示意图。