场效应管(FET)的工作原理总结

结型场效应管的工作原理

N 沟道和P 沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N 沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。

N 沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压(v GS ＜0)，使栅-源极间的P +N 结反偏，栅极电流i G ≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108Ω左右)。在漏-源极间加一正电压(v DS ＞0)，使N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流i D 。i D 的大小主要受栅-源电压v GS 控制，同时也受漏-源电压v DS 的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压v GS 对沟道电阻及漏极电流i D 的控制作用，以及漏-源电压v DS 对漏极电流i D 的影响。

转移特性：在u DS 一定时, 漏极电流i D 与栅源电压u GS 之间的关系称为转移特性。 ()|D gs ds u i f u ==常数

在U GS(off)≤u GS ≤0的范围内, 漏极电流i D 与栅极电压u GS 的关系为

2()(1)GS

D DDS GS off u i I u =-

2) 输出特性：输出特性是指栅源电压u GS 一定, 漏极电流i D 与漏极电压u DS 之间的关系。

()|D s gs d u i f u ==常数

GS 0

1

2

3

4

5

1．v GS对沟道电阻及i D的控制作用

图2所示电路说明了v GS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压v DS=0。当栅-源电压v GS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2(a)所示。当v GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图2(b)所示。当|v GS| 进一步增大到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v DS，漏极电流i D也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用V P表示。

上述分析表明，改变栅源电压v GS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源-极间加上固定的正向电压v DS，则漏极电流i D将受v GS的控制，|v GS|增大时，沟道电阻增大，i D减小。上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流i D的大小。

2．v DS对i D的影响

设v GS值固定，且V P

(为|v GD| )，即加到该处P+N结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图3(a)所示。

在v DS较小时，它对i D的影响应从两个角度来分析：一方面v 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v 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，但是在v DS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即v DS对沟道电阻影响不大，故i D随v DS 增加而几乎呈线性地增加。随着v DS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N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v DS上升的速度趋缓。

当v DS增加到v DS=v GS-V P，即v GD=v GS -v DS=V P(夹断电压)时，漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图3(b)所示，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流i D≠0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。若v DS继续增加，使v DS＞v GS－V P,即v GD＜V P时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图3(c)，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流i D却基本上趋于饱和，i D不随v DS的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大，v 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v DS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿，i D会急剧增加，正常工作时v DS不能超过V(BR)DS。

从结型场效应管正常工作时的原理可知：①结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流i G≈0，输入阻抗很高。②漏极电流受

栅-源电压v GS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。③预夹断前，即v DS 较小时，i D与v DS间基本呈线性关系；预夹断后，i D趋于饱和。

P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。

金属-氧化物-半导体场效应管

结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109Ω，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是PN结的反偏电阻，在高温条件下工作时，PN结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015Ω。它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。

MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型MOS管在栅-源电压v GS=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压v DS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（i D=0）。而耗尽型MOS管在v GS=0时，漏-源极间就有导电沟道存在。

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。图1(a)、(b)分别是它的结