结型场效应晶体管

结型场效应晶体管 利用场效应原理工作的晶体管，简称FET。场效应就是改变外加垂直于半导体表面上电场的方向或大小，以控制半导体导电层（沟道）中的多数载流子的密度或类型。这种晶体管的工作原理与双极型晶体管不同，它是由电压调制沟道中的电流，其工作电流是由半导体中的多数载流子输运，少数载流子实际上没有作用。这类只有一种极性载流子参加导电的晶体管又称单极晶体管。 　　 1925～1926年美国的J.E.里林菲德提出静电场对导电固体中电流影响的基本概念。1933年O.海尔提出薄膜FET 器件的结构模型，在实验中观察到“场效应”现象，但当时由于工艺水平所限，没有做成实用器件。1952年以后，W.B.肖克莱提出结型场效应管（JFET）的基本理论。一年以后制成JFET。60年代初发展了金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）。1966年美国的C.米德提出了肖特基势垒栅场效应管（MESFET）。

与双极型晶体管相比，FET的特点是输入阻抗高，噪声小，极限频率高，功耗小，温度性能好，抗辐照能力强，多功能，制造工艺简单等。由于电荷存储效应小、反向恢复时间短，故开关速度快，工作频率高。器件特性基本呈线性或平方律，故互调和交调乘积远比双极型晶体管为小。FET已广泛用于各种放大电路、数字电路和微波电路等。FET是MOS大规模集成电路和MESFET超高速集成电路的基础器件。 结型场效应晶体管工作原理：

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，也需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压(vGS＜0)，使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108?左右)。在漏-源极间加一正电压(vDS＞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iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对漏极电

流iD（或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。

1．vGS对iD的控制作用

图2所示电路说明了vGS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vDS=0。当栅-源电压vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2(a)所示。当vGS

　　（c） vGS≤VP

　　（a） vGS=0的情况

　　(b) VP

由于结型场效应管的栅极输入电流iG>>0，因此很少应用输入特性，常用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线。

1．输出特性曲线

输出特性曲线用来描述vGS取一定值时，电流iD和电压vDS间的关系，即

　　。它反映了漏极电压vDS对iD的影响。图XX_01是一个N沟道结型场效应管的输出特性曲线。由此图可见，结型场效应管的工作状态可划分为四个区域。

XX_01 (1) 可变电阻区图

可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，它表示vDS较小、管子预夹断前，电压vDS与漏极电流iD间的关系。在此区域内有VP＜vGS≤0，vDS＜vGS－VP。当vGS一定，vDS较小时，vDS对沟道影响不大，沟道电阻基本不变，iD与vDS之间基本呈线性关系。若

　　增加，则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。所以，在vDS较小时，源、漏极间可以看作是一个受vGS控制的可变电阻，故称这一区域为可变电阻区。这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。

(2) 饱和区(也称恒流区)

当VP＜vGS≤0且vDS≥vGS－VP时，N沟道结型场效应管进入饱和区，即图中特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后，电压vDS与漏极电流iD间的关系。饱和区的特点是iD几乎不随vDS的变化而变化，iD已趋于饱和，但它受vGS的控制。|vGS|增加，沟道电阻增加，iD减小。场效应管作线性放大器件用时，就工作在饱和区。 应当指出，图XX_01中左边的虚线是可变电阻区与饱和区的分界线，是结型场效应管的预夹断点（vDS=vGS-VP）的轨迹。显然，预夹断点随vGS改变而变化，vGS愈负，预夹断时的vDS越小。

(3) 击穿区

管子预夹断后，若vDS继续增大，当栅漏极间P+N结上的反偏电压vGD增大到使P+N结发生击穿时，iD将急剧上升，特性曲线进入击穿区。管子被击穿后再不能正常工作。

(4) 截止区(又称夹断区)

当栅源电压|vGS|≥

　　时，沟道全部被夹断，iD≈0，这时场效应管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近(图XX_01中未标注)。

2. 转移特性曲线

转移特性曲线用来描述vDS取一定值时，iD与vGS间的关系的曲线，即

它反映了栅源电压vGS对iD的控制作用。

由于转移特性和输出特性都是用来描述vGS、vDS及iD间的关系的，所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。作法如下：在图XX_01所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的交点A、B和C所对应的iD、vGS的值转移到iD-vGS直角坐标系中，即可得到转移特性曲线

　　，如图XX_02(a)所示。

　　

图XX_0 改变vDS的大小，可得到一族转移特性曲线，如图XX_02(b)所示。由此图可以看出，当vDS≥|vp|（图中为vDS≥5V）后，不同vDS下的转移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内iD几乎不随vDS而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与vGS的关系。在饱和区内iD可近似地表示为

　　(VP＜vGS≤0) (5.1.1)

式中IDSS为vGS=0，vDS≥|vp|时的漏极电流，称为饱和漏极电流。

1. 夹断电压VP。当vDS为某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小电流(例如50mA)时，栅源极间所加的电压即夹断电压。

2. 饱和漏极电流IDSS。在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。对结型场效管来说，IDSS也是管子所能输出的最大电流。

3. 直流输入电阻RGS。它是在漏源极间短路的条件下，栅源极间加一定电压时的栅源直流电阻。

4. 低频跨导gm。当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅源电压vGS的微小变化量之比为低频跨导，即

　　(5.1.2) gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子(s)，有时也用ms或ms表示。需要指出的是，gm与管子的工作电流有关，iD越大，gm就越大。在放大电路中，场效应管工作在饱和区(恒流区)，gm可由式和计算求得，即

5. 输出电阻rd。当vGS为常数时，漏源电压的微小变化量与漏极电流iD的微小变化量之比为输出电阻rd，即

rd反映了漏源电压vDS对iD的影响。在饱和区内，iD几乎不随vDS而变化，因此，rd数值很大，一般为几十千欧~几百千欧。

6. 极间电容Cgs、Cgd、Cgs。Cgs是栅源极间存在的电容，Cgd是栅漏极间存在的电容。它们的大小一般为1~3pF，而漏源极间的电容Cds约为0.1~1pF。在低频情况下，极间电容的影响可以忽略，但在高频应用时，极间电容的影响必须考虑。

7. 最大漏源电压V(BR)DS。指管子沟道发生雪崩击穿引起iD急剧上升时的vDS值。V(BR)DS的大小与vGS有关，对N沟道而言，vGS的负值越大，则V(BR)DS越小。

8. 最大栅源电压V(BR)GS。是指栅源极间的PN结发生反向击穿时的vGS值，这时栅极电流由零而急剧上升。

9. 漏极最大耗散功率PDM。漏极耗散功率PD(=vDSiD)变为热能使管子的温度升高，为了限制管子的温度，就需要限制管子的耗散功率不能超过PDM。PDM的大小与环境温度有关。除了以上参数外，结型场效应管还有噪声系数，高频参数等其他参数。结型场效应管的噪声系数很小，可达1.5dB以下。