場(chǎng)效應(yīng)管原理詳解

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(xiě)（FET））簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)管。主要有兩種類(lèi)型：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（junction FET—JFET）和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS-FET）。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱(chēng)為單極型晶體管。

它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（107～1015Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。

由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱(chēng)單極型晶體管。FET 英文為Field Effect Transistor，簡(jiǎn)寫(xiě)成FET。

與雙極型晶體管相比，場(chǎng)效應(yīng)管具有如下特點(diǎn)。

（1）場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，它通過(guò)VGS（柵源電壓）來(lái)控制ID（漏極電流）；

（2）場(chǎng)效應(yīng)管的控制輸入端電流極小，因此它的輸入電阻（107～1012Ω）很大。

（3）它是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此它的溫度穩(wěn)定性較好；

（4）它組成的放大電路的電壓放大系數(shù)要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數(shù)；

（5）場(chǎng)效應(yīng)管的抗輻射能力強(qiáng)；

（6）由于它不存在雜亂運(yùn)動(dòng)的電子擴(kuò)散引起的散粒噪聲，所以噪聲低。

場(chǎng)效應(yīng)管是較新型的半導(dǎo)體材料，利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制晶體管的電流，因而得名。它的外型也是一個(gè)三極管，因此又稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)三極管。它只有一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，它有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管之分。

1.結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管

（1） 結(jié)構(gòu)

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。

圖1結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)

（2） 工作原理

以N溝道為例說(shuō)明其工作原理。

當(dāng)UGS=0時(shí)，在漏、源之間加有一定電壓時(shí)，在漏源間將形成多子的漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生漏極電流。當(dāng)UGS《0時(shí)，PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小，UGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小直至為0。當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓UGS稱(chēng)為夾斷電壓UGS（off）。

（3）特性曲線

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線有兩條，一是輸出特性曲線（ID=f（UDS）|UGS=常量），二是轉(zhuǎn)移特性曲線（ID=f（UGS）|UDS=常量）。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線如圖2所示。

（a） 漏極輸出特性曲線 　　　　　　　　　　　?。╞） 轉(zhuǎn)移特性曲線

圖2N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線

2. 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管分為：耗盡型 →N溝道、P溝道 　　增強(qiáng)型 →N溝道、P溝道

（1）N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

N溝道耗盡型的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖3（a）所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)UGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)UGS》0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。UGS《0時(shí)，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的UGS稱(chēng)為夾斷電壓，用符號(hào)UGS（off）表示，有時(shí)也用UP表示。N溝道耗盡型的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖30（b）所示。

（a） 結(jié)構(gòu)示意圖 　　　　　　　　?。╞） 轉(zhuǎn)移特性曲線

圖3N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線

（2）N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

結(jié)構(gòu)與耗盡型類(lèi)似。但當(dāng)UGS=0 V時(shí)，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。 當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0UGS（th）時(shí)，形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在UGS=0V時(shí)ID=0，只有當(dāng)UGS》UGS（th）后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線，見(jiàn)圖4。

圖4轉(zhuǎn)移特性曲線

（3）P溝道MOS管

P溝道MOS管的工作原理與N溝道MOS管完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

3 主要參數(shù)

（1） 直流參數(shù)

指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS（off） 、增強(qiáng)型MOS管開(kāi)啟電壓UGS（th）、耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管的飽和漏極電流IDSS（UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流）、輸入電阻RGS.

（2） 低頻跨導(dǎo)gm

gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS（毫西門(mén)子）。

（3） 最大漏極電流IDM

2 場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管

場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是只有一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來(lái)劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來(lái)劃分，它有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管JFET（Junction type Field Effect Transister）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管IGFET（ Insulated Gate Field Effect Transister） 之分。IGFET也稱(chēng)金屬-氧化物-半導(dǎo)體三極管MOSFET （Metal Oxide Semicon-ductor FET）。

2.2.1 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管（MOSFET）分為：

增強(qiáng)型 →N溝道、P溝道

耗盡型 →N溝道、P溝道

N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見(jiàn)圖02.13。 電極D（Drain）稱(chēng)為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極;

G（Gate）稱(chēng)為柵極，相當(dāng)于的基極;

S（Source）稱(chēng)為源極，相當(dāng)于發(fā)射極。

（1）N溝道增強(qiáng)型MOSFET

① 結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖02.13，N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱(chēng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱(chēng)為襯底，用符號(hào)B表示。

圖02.13 N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)

② 工作原理

1.柵源電壓VGS的控制作用

當(dāng)VGS=0 V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。

當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0

進(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGS》VGS（th）時(shí)（ VGS（th） 稱(chēng)為開(kāi)啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱(chēng)為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時(shí)ID=0，只有當(dāng)VGS》VGS（th）后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。

VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用iD=f（vGS）？VDS=const這一曲線描述，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線，見(jiàn)圖02.14。

圖02.14 轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱(chēng)為跨導(dǎo)。

跨導(dǎo)的定義式如下：

2.漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用

當(dāng)VGS》VGS（th），且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對(duì)溝道的影響如圖02.15所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系

當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGD》VGS（th），溝道分布如圖02.15（a），此時(shí)VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達(dá)到開(kāi)啟的程度以上，漏源之間有電流通過(guò)。

當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS（th）時(shí)，溝道如圖02.15（b）所示。這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱(chēng)為預(yù)夾斷，此時(shí)的漏極電流ID基本飽和。當(dāng)VDS增加到VGD？VGS（th）時(shí)，溝道如圖02.15（c）所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。

圖02.15 漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響（動(dòng)畫(huà)2-5）

當(dāng)VGS》VGS（th），且固定為某一值時(shí)，VDS對(duì)ID的影響，即iD=f（vDS）？VGS=const這一關(guān)系曲線如圖02.16所示。這一曲線稱(chēng)為漏極輸出特性曲線。

（a） 輸出特性曲線 （b）轉(zhuǎn)移特性曲線

圖02.16 漏極輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線

（2）N溝道耗盡型MOSFET

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖02.17（a）所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)VGS》0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS《0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS稱(chēng)為夾斷電壓，用符號(hào)VGS（off）表示，有時(shí)也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖02.17（b）所示。

（a） 結(jié)構(gòu)示意圖 （b） 轉(zhuǎn)移特性曲線

圖02.17 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線

（3）P溝道耗盡型MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

4.2.2 伏安特性曲線

場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線類(lèi)型比較多，根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同以及是增強(qiáng)型還是耗盡型可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定的正方向，特性曲線就要畫(huà)在不同的象限。為了便于繪制，將P溝道管子的正方向反過(guò)來(lái)設(shè)定。有關(guān)曲線繪于圖02.18之中。

圖02.18 各類(lèi)場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線

4.2.3 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管

（1） 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)與絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管相似，工作機(jī)理也相同。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)如圖02.19所示，它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié)，形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)P區(qū)即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。

圖02.19 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)

（2） 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的工作原理

根據(jù)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)，因它沒(méi)有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對(duì)于N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū)，P溝道的只能工作在正柵壓區(qū)，否則將會(huì)出現(xiàn)柵流?，F(xiàn)以N溝道為例說(shuō)明其工作原理。

① 柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

當(dāng)VGS=0時(shí)，在漏、源之間加有一定電壓時(shí)，在漏源間將形成多子的漂移運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生漏極電流。當(dāng)VGS《0時(shí)，PN結(jié)反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小，VGS繼續(xù)減小，溝道繼續(xù)變窄，ID繼續(xù)減小直至為0。當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱(chēng)為夾斷電壓VGS（off）。

② 漏源電壓對(duì)溝道的控制作用

在柵極加有一定的電壓，且VGS》VGS（off），若漏源電壓VDS從零開(kāi)始增加，則VGD=VGS-VDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分布，如圖02.21（a）所示。當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS—VDS=VGS（off）時(shí)，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖02.21（b）所示。當(dāng)VDS繼續(xù)增加，漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長(zhǎng)延長(zhǎng)。以上過(guò)程與絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的十分相似。

（3） 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線有兩條，一是轉(zhuǎn)移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線基本相同，只不過(guò)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓可正、可負(fù)，而結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負(fù)。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線如圖02.22所示。

（a） 漏極輸出特性曲線（動(dòng)畫(huà)2-6） （b） 轉(zhuǎn)移特性曲線（動(dòng)畫(huà)2-7）

圖02.22 N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管的特性曲線

4.2.4 場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)

（1） 場(chǎng)效應(yīng)三極管的參數(shù)

① 開(kāi)啟電壓VGS（th） （或VT）

開(kāi)啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對(duì)值，場(chǎng)效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

② 夾斷電壓VGS（off） （或VP）

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VGS（off） 時(shí)，漏極電流為零。

③ 飽和漏極電流IDSS

耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管，當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。

④ 輸入電阻RGS

場(chǎng)效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值，對(duì)于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，對(duì)于絕緣柵場(chǎng)型效應(yīng)三極管，RGS約是109～1015Ω。

⑤ 低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用，這一點(diǎn)與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS（毫西門(mén)子）。

⑥ 最大漏極功耗PDM

最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。

（2） 場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)

場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)，現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道;C是N型硅P溝道。例如，3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如，CS14A、CS45G等。

4.2.5 雙極型和場(chǎng)效應(yīng)型三極管的比較