模电·结型场效应管_015

场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高达1071012Ω，噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强，且比后者更省电，这些优点使之从20世纪60年代诞生起就广泛应用于各种电子电路之中。

妖兽喽

2127人浏览 · 2023-11-24 20:30:53

妖兽喽 · 2023-11-24 20:30:53 发布

结型场效应管

结型场效应管的工作原理
结型场效应管的特性曲线

场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高达 ${10^7}$ ~ ${10^{12}}$ Ω，噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强，且比后者更省电，这些优点使之从20世纪60年代诞生起就广泛应用于各种电子电路之中。
结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型
下图是N沟道的实际结构图。
N沟道管的结构

下图是N沟道和P沟道管的符号。
结场型效应管的结构和符号

下图为N沟道结型场效应管的结构示意图。

图中，在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电机称为栅极g，N型半导体的两端分别引出两个电极，一个称为漏极d，一个称为源极s。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极与源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。

结型场效应管的工作原理

为使N沟道结型场效应管能正常工作，应在其栅-源之间加负向电压(即 ${\large u}{\tiny GS}＜0$ )，以保证耗尽层承受反向电压；在漏-源之间加正向电压 ${\large u}{\tiny DS}$ ，以形成漏极电流 ${i}{\tiny D}$ 。 ${\large u}{\tiny GS}＜0$ ，既保证了栅-源之间内阻很高的特点，又实现了 ${\large u}{\tiny GS}$ 对沟道电流的控制。
下面通过栅-源电压 ${\large u}{\tiny GS}$ 和漏-源电压 ${\large u}{\tiny DS}$ 对导电沟道的影响，来说明管子的工作原理。
1.当 ${\large u}{\tiny DS}=0V$ (即d、s)短路时， ${\large u}{\tiny GS}$ 对导电沟道的控制作用
当 ${\large u}{\tiny DS}=0V$ 且 ${\large u}{\tiny GS}=0V$ 时，耗尽层很窄，导电沟道很宽，如下图所示。
uDS=0V且uGS=0V时对导电沟道的控制作用
当 $|{\large u}{\tiny GS}|$ 增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，如下图所示。
uDS=0V且UGS(off)<uGS<0V时对导电沟道的控制作用
沟道电阻增大。当 $|{\large u}{\tiny GS}|$ 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失如下图所示。
uDS=0V且uGS≤UGS(off)时对导电沟道的控制作用

沟道电阻区域无穷大，称此时 ${\large u}{\tiny GS}$ 的值为夹断电压 ${\large u}{\tiny GS(off)}$ 。

2.当 ${\large u}{\tiny GS}$ 为 ${U}{\tiny GS(off)}$ ~ 0V中某一固定值时， ${\large u}{\tiny DS}$ 对漏极电流 ${i}{\tiny D}$ 的影响
当 ${\large u}{\tiny GS}$ 为 ${U}{\tiny GS}$ ~0V中某一确定值时，若 ${\large u}{\tiny DS}=0V$ ，则虽然存在由 ${\large u}{\tiny GS}$ 所确定的一定宽度的导电沟道，但由于d - s间电压为零，多子不会产生定向移动，因而漏极电流 ${i}{\tiny D}$ 为零。
若 ${\large u}{\tiny DS}＞0V$ ，则有电流 ${i}{\tiny D}$ 从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近栅极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽。换言之，靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄，如下图所示。
UGS(off)＜uGS＜0且uDS＞0的情况，uGD＞UGS(off)

因为栅-漏电压 ${\large u}{\tiny GD}={\large u}{\tiny GS}-{\large u}{\tiny DS}$ ，所以当 ${\large u}{\tiny DS}$ 从零逐渐增大时 ${\large u}{\tiny GD}$ 逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。但是，只要栅-漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍将基本上决定于栅-源电压 ${\large u}{\tiny GS}$ ，因此，电流 ${i}{\tiny D}$ 降随 ${\large u}{\tiny DS}$ 的增大而线性增大，d-s呈现电阻特性。而一旦 ${\large u}{\tiny DS}$ 的增大时 ${\large u}{\tiny GD}$ 等于 ${U}{\tiny GS(off)}$ ，则漏极一边的耗尽层就会出夹断区，见下图所示，称 ${\large u}{\tiny GD}={U}{\tiny GS}$ 预夹断。
UGS(off)＜uGS＜0且uDS＞0的情况，uGD=UGS(off)

若 ${\large u}{\tiny DS}$ 继续增大，则 ${\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)}$ ，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长，见下图所示。
UGS(off)＜uGS＜0且uDS＞0的情况，uGD＜UGS(off)

这时，一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻力加大(只能从夹断区的窄缝以较高速度通过)，从而导致 ${i}{\tiny D}$ 减小；另一方面，随着 ${\large u}{\tiny DS}$ 的增大，使d - s间的纵向电场增强，也必然导致 ${i}{\tiny D}$ 增大。实际上，上述 ${i}{\tiny D}$ 的两种变化趋势相抵消， ${\large u}{\tiny DS}$ 的增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对 ${i}{\tiny D}$ 形成的阻力。因此，从外部看，在 ${\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)}$ 的情况下，当 ${\large u}{\tiny GD}$ 增大时 ${i}{\tiny D}$ 几乎不变，即 ${i}{\tiny D}$ 几乎仅仅决定于 ${\large u}{\tiny GS}$ ，表现出 ${i}{\tiny D}$ 的恒流特性。
3.当 ${\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)}$ 时， ${\large u}{\tiny GS}$ 对 ${i}{\tiny D}$ 的控制作用
在 ${\large u}{\tiny GD}={\large u}{\tiny GS}-{\large u}{\tiny DS}＜{U}{\tiny GS(off)}$ ，即 ${\large u}{\tiny DS}＞={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(off)}$ 的情况下，当 ${\large u}{\tiny DS}$ 为一常量时，对应于确定的 ${\large u}{\tiny GS}$ ，就有确定的 ${i}{\tiny D}$ 。此时，可以通过改变 ${\large u}{\tiny GS}$ 来控制 ${i}{\tiny D}$ 的大小。由于漏极电流受栅-源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。与晶体管用 ${\beta}(=\frac{\Delta i\tiny C}{\Delta {i\tiny B}})$ 来描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作用相类似，场效应管用 $g\tiny m$ 来描述动态栅-源电压对漏极电流的控制作用， $g\tiny m$ 称为低频跨导
${g\tiny m}=\frac{\Delta i\tiny D}{\Delta {\large u}{\tiny GS}}$
由以上分析可知：
（1）在 ${\large u}{\tiny GD}={\large u}{\tiny GS}-{\large u}{\tiny DS}＞{U}{\tiny GS(off)}$ 的情况下，即当 ${\large u}{\tiny DS}＜{\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(off)}$ (即g - d间未出现夹断)时，对于不同的 ${\large u}{\tiny GS}$ ，d - s间等效成不同阻值的电阻。
当 ${\large u}{\tiny DS}$ 使 ${\large u}{\tiny GD}={U}{\tiny GS(off)}$ 时，d - s之间预夹断。
当 ${\large u}{\tiny DS}$ 使 ${\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)}$ 时， ${i}{\tiny D}$ 几乎仅仅决定于 ${\large u}{\tiny GS}$ ，而与 ${\large u}{\tiny DS}$ 无关。此时可以把 ${i}{\tiny D}$ 近似看成 ${\large u}{\tiny GS}$ 控制的电流源。

结型场效应管的特性曲线

输出特性曲线

输出特性曲线描述当栅-源电压 ${\large u}{\tiny GS}$ 为常量时，漏极电流 ${i}{\tiny D}$ 与漏-源电压 ${\large u}{\tiny DS}$ 之间的函数关系，即
${i}{\tiny D}=f({\large u}{\tiny DS}){\huge{\mid_ {{\small U}{\tiny GS}{ \small =常数}}}}$
对应于一个 ${U}{\tiny GS}$ ，就有一条曲线，因此输出特性为一族曲线，如下图所示，场效应管有三个工作区域：可变电阻区(也称非饱和区)、恒流区(也称饱和区)、夹断区。
场效应管的输出特性

可变电阻区(也称非饱和区)

上图中的虚线为预夹断轨迹，它是各条曲线上使 ${\large u}{\tiny DS}={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(off)}$ (即 ${\large u}{\tiny GD}={U}{\tiny GS(off)}$ )的点连接而成的。 ${\large u}{\tiny GS}$ 越大，预夹断时的 ${\large u}{\tiny DS}$ 值也越大。预夹断轨道的左边区域称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当 ${\large u}{\tiny GS}$ 确定时，直线的斜率也唯一地被确定，直线斜率的倒数为d - s间等效电阻。因而在此区域中，可以通过改变 ${\large u}{\tiny GS}$ 的大小(即压控的方式)来改变漏-源等效电阻的阻值，故称之为可变电阻区。

恒流区(也称饱和区)

上图中预夹断轨迹的右边区域为恒流区。当 ${\large u}{\tiny DS}＞{\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(off)}$ (即 ${\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)}$ )时，各曲线近似为一族横轴的平行线。当 ${\large u}{\tiny DS}$ 增大时， ${i}{\tiny D}$ 仅略有增大。因而可将 ${i}{\tiny D}$ 近似为电压 ${\large u}{\tiny GS}$ 控制的电流源，故称该区域为恒流区。利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域。

夹断区

当 ${\large u}{\tiny GS}＜{U}{\tiny GS(off)}$ 时，导电沟道被夹断， ${i}{\tiny D}$ ≈0，即上图中靠近横轴的部分，称为夹断区，一般将使 ${i}{\tiny D}$ 等于某一个很小的电流(如5uA)时的 ${\large u}{\tiny GS}$ 定义为夹断电压 ${U}{\tiny GS(off)}$ 。
另外，当 ${\large u}{\tiny DS}$ 增大到一定程度时，漏极电流会骤然增大，管子将被击穿。由于这种击穿是因栅-漏间耗尽层破坏而造成的，因而若栅-源击穿电压为 ${U}{\tiny BR(GD)}$ ，则漏-源击穿电压为 ${U}{\tiny BR(DS)}={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny BR(GD)}$ ，所以当 ${\large u}{\tiny GS}$ 增大时，漏-源击穿电压将增大，如上图所示。

可转移特性

转移特性曲线描述当漏-源电压 ${\large u}{\tiny DS}$ 为常量时，漏极电流 ${i}{\tiny D}$ 与栅-源电压 ${\large u}{\tiny GS}$ 之间的函数关系，即
${i}{\tiny D}=f({\large u}{\tiny GS}){\huge{\mid_ {{\small U}{\tiny DS}{ \small =常数}}}}$
当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行线，所以可以用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线，在输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值，建立 ${\large u}{\tiny GS}$ 、 ${i}{\tiny D}$ 坐标系，连接各点所得曲线就是转移特性曲线，见下图所示。可见转移特性曲线有严格的对应关系。
场效应管的转移特性曲线

根据半导体物理中对场效应管内部载流子的分析可以得到恒流区中 ${i}{\tiny D}$ 的近似表达式为
${i}{\tiny D}={I\tiny DSS}{(1-\frac {{\large u}{\tiny GS}}{U\tiny GS(off)})}^2({U\tiny GS(off)}＜{{\large u}\tiny GS}＜0)$
式中 ${I\tiny DSS}$ 是 ${{\large u}\tiny GS}=0$ 情况下产生预夹断时的 ${I}{\tiny D}$ ，称为饱和漏极电流。
当管子工作在可变电阻区时，对于不同的 ${U}{\tiny DS}$ ，转移特性曲线将有很大差别。
应当指出，为保证结型场效应管栅-源间的耗尽层加反向电压，对于N沟道管， ${{\large u}\tiny GS}≤0V$ ；对于P沟道管， ${{\large u}\tiny GS}≥0V$ 。