场效应管——分类、结构以及原理

是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应管的结构来划分，它有结型场效应管和绝缘栅型场效应管之分。

1.结型场效应管

(1) 结型场效应管结构

N沟道结型场效应管的结构如下图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。

 

 

结型场效应管的结构示意图

(2) 结型场效应管工作原理

以N沟道为例说明其工作原理。

当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。当VGS<0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS (off)。

(3)结型场效应管特性曲线

结型场效应管的特性曲线有两条，

一是输出特性曲线(ID=f(VDS)| VGS=常量),

二是转移特性曲线(ID=f(VGS)|VDS =常量)。

N沟道结型场效应管的特性曲线如下图所示。

 

 

(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线

N沟道结型场效应管的特性曲线

2. 绝缘栅场效应三极管的工作原理

绝缘栅场效应三极管分为：

耗尽型→N沟道、P沟道

增强型→N沟道、P沟道

(1)N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构

N沟道耗尽型的结构和符号如下图(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS>0时，将使ID进一步增加。VGS<0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS (off)表示，有时也用VP表示。

N沟道耗尽型的转移特性曲线如下图(b)所示。

 

 

(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线

(2)N沟道增强型绝缘栅场效应管结构

N沟道增强型绝缘栅场效应管,结构与耗尽型类似。但当VGS=0 V时，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。当栅极加有电压时，若VGS>VGS (th)时，形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS>VGS (th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。

 

 

VGS(th)--开启电压或阀电压;

(3)P沟道增强型和耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

3 场效应管伏安特性曲线

场效应管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。如果按统一规定的正方向，特性曲线就要画在不同的象限。为了便于绘制，将P沟道管子的正方向反过来设定。有关曲线绘于下图之中。

 

 

4.各种场效应管特性比较

场效应管--分类、结构以及原理

(a) 转移特性曲线 (b) 输出特性曲线

5.场效应管的主要参数

① 开启电压VGS(th) (或VT)

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管不能导通。

② 夹断电压VGS(off) (或VP)

夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off) 时，漏极电流为零。

③ 饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应三极管，当VGS=0时所对应的漏极电流。

④ 输入电阻RGS

场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅场型效应三极管，RGS约是109～1015Ω。

⑤ 低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。

⑥ 最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM=VDS ID决定，与双极型三极管的PCM相当。