场效应管的结构原理及特性

灯光工程师

场效应管（英缩写FET）是电压控制器件，它由输入电压来控制输出电流的变化。它具有输入阻抗高噪声低，动态范围大，温度系数低等优点，因而广泛应用于各种电子线路中。供应信息 需求信息 一、场效应管的结构原理及特性 场效应管有结型和绝缘栅两种结构，每种结构又有N沟道和P沟道两种导电沟道。 1、结型场效应管（JFET） （1）结构原理 它的结构及符号见图1。在N型硅棒两端引出漏极D和源极S两个电极，又在硅棒的两侧各做一个P区，形成两个PN结。在P区引出电极并连接起来，称为栅极Go这样就构成了N型沟道的场效应管 图1、N沟道结构型场效应管的结构及符号 由于PN结中的载流子已经耗尽，故PN基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，从图1中可见，当漏极电源电压ED一定时，如果栅极电压越负，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，ID变大，所以用栅极电压EG可以控制漏极电流ID的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。 , a. ?& a% z- ^% a( ?（2）特性曲线 0 i) h k3 Z5 |1 o$ D/ e" u1）转移特性 8 B6 |" S/ G* ]& N# Z( Z2 w图2（a）给出了N沟道结型场效应管的栅压---漏流特性曲线，称为转移特性曲线，它和电子管的动态特性曲线非常相似，当栅极电压VGS=0时的漏源电流。用IDSS表示。VGS变负时，ID逐渐减小。ID接近于零的栅极电压称为夹断电压，用VP表示，在0≥VGS≥VP的区段内，ID与VGS的关系可近似表示为： ID=IDSS（1-|VGS/VP|） 其跨导gm为：gm=（△ID/△VGS）|VDS=常微（微欧） * ]8 | R. @$ `; x, [ T9 M式中：△ID------漏极电流增量（微安） ------△VGS-----栅源电压增量（伏） * X" U3 c3 ^( J. R; y. a; P图2、结型场效应管特性曲线 $ T$ e5 ?% V6 l: g+ v F2）漏极特性（输出特性） 图2(b)给出了场效应管的漏极特性曲线，它和晶体三极管的输出特性曲线 很相似。 ①可变电阻区（图中I区）在I区里VDS比较小，沟通电阻随栅压VGS而改变，故称为可变电阻区。当栅压一定时，沟通电阻为定值，ID随VDS近似线性增大，当VGS＜VP时，漏源极间电阻很大（关断）。IP=0；当VGS=0时，漏源极间电阻很小（导通），ID=IDSS。这一特性使场效应管具有开关作用。 6 u. f* m. @2 m- l1 V8 Y }7 U②恒流区（区中II区）当漏极电压VDS继续增大到VDS＞|VP|时，漏极电流，IP达到了饱和值后基本保持不变，这一区称为恒流区或饱和区，在这里，对于不同的VGS漏极特性曲线近似平行线，即ID与VGS成线性关系，故又称线性放大区。 % e' W7 g$ B6 X4 d+ ?) |③击穿区（图中Ⅲ区）如果VDS继续增加，以至超过了PN结所能承受的电压而被击穿，漏极电流ID突然增大，若不加限制措施，管子就会烧坏。 ( B8 {1 P L9 a2、绝缘栅场效应管 它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属---氧化物---半导体场效应管，简称MOS场效应管。 （1）结构原理 它的结构、电极及符号见图3所示，以一块P型薄硅片作为衬底，在它上面扩散两个高杂质的N型区，作为源极S和漏极D。在硅片表覆盖一层绝缘物，然后再用金属铝引出一个电极G（栅极）由于栅极与其它电极绝缘，所以称为绝缘栅场面效应管。 图3、N沟道（耗尽型）绝缘栅场效应管结构及符号 ) g, {* I8 |3 M/ l7 L在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。场效应管的式作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型，当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。 5 n7 ]" M/ S, t' s（2）特性曲线 1）转移特性（栅压----漏流特性） 图4（a）给出了N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的转移行性曲线，图中Vp为夹断电压（栅源截止电压）；IDSS为饱和漏电流。 ! ^% R1 m2 \$ | |7 z4 O9 C图4（b）给出了N沟道增强型绝缘栅场效管的转移特性曲线，图中Vr为开启电压，当栅极电压超过VT时，漏极电流才开始显著增加。 2）漏极特性（输出特性） 图5（a）给出了N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的输出特性曲线。 图5(b)为N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线 。 图4、N沟道MOS场效管的转移特性曲线 图5、N沟道MOS场效应管的输出特性曲线 此外还有N衬底P沟道（见图1）的场效应管，亦分为耗尽型号增强型两种， 7 D6 r7 I, E9 c8 Y3 v$ F各种场效应器件的分类，电压符号和主要伏安特性（转移特性、输出特性） % M4 J( b; ?1 D+ i8 j二、场效应管的主要参数 1、夹断电压VP l当VDS为某一固定数值，使IDS等于某一微小电流时，栅极上所加的偏压VGS就是夹断电压VP。 3 [! z5 v% `7 g1 u2、饱和漏电流 2 j2 ^( n! O3 c0 {7 I在源、栅极短路条件下，漏源间所加的电压大于VP时的漏极电流称为IDSS。 0 y+ M* y1 X6 [: g- @: ]$ V; j6 B3、击穿电压BVDS (WRMaI72( www.chipfix.com.cn 表示漏、源极间所能承受的最大电压，即漏极饱和电流开始上升进入击穿区时对应的VDS。 " j0 b6 _% f/ r! H% Y! _0 x4、直流输入电阻 在一定的栅源电压下，栅、源之间的直流电阻，这一特性有以流过栅极的电流来表示，结型场效应管的RGS可达1000000000欧而绝缘栅场效应管的RGS可超过10000000000000欧。 1 k" `- Q, K, j8 G5、低频跨导漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压微数变量之比，称为跨导，即 它是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个参数，也是衡量放大作用的重要参数，此参灵敏常以栅源电压变化1伏时，漏极相应变化多少微安（μA/V）或毫安（mA/V）来表示