场效应管知识简介

1、、场效应管简介场效应管（ Field Effect Transistor 简称 FET ）是利用电场效应来控制半导体中电流的一 种半导体器件， 故因此而得名。 场效应管是一种电压控制器件， 只依靠一种载流子参与导电 ， 故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性 好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。场效应管的类型若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；从场效应三极管的结构来划分， 它有结型场效应三极管 JFET 和绝缘栅型场效应三极管 IGFET 之分。 IGFET 也称金属

2、-氧化物 -半导体三极管 MOSFET ， 简称MOS管。MOS管性能更为优越，发展迅速，应用广泛。与双极型晶体管相比，场效应管有下列优点：输入电阻高、内部噪声小、耗电省、热稳 定性好、抗辐射能力强、制造工艺简单、易于集成化、工作频率高等。因此场效应管在电子 电路，逻辑电路，特别是在近代大规模和超大规模集成电路（ VSI 和 LVSI ）以及微波毫米 波电路中得到及其广泛的应用。二、场效应管分类场效应管的种类很多， 按结构大致分为： 结型、 绝缘栅型两大类。 结型场效应管 （ JFET） 因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。 目前在绝缘栅型场效

3、应管中，应用最为广泛的是 MOS 场效应管，简称 MOS 管（即金属 -氧 化物 -半导体场效应管 MOSFET ）；此外还有 PMOS、NMOS 和 VMOS 功率场效应管，以及 最近刚问世的 nMOS场效应管、VMOS功率模块等。按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P 沟道两种。若按导电方式来划分， 场效应管又可分成耗尽型与增强型。 结型场效应管均为耗尽型， 绝缘栅型场效应管既 有耗尽型的，也有增强型的。场效应晶体管可分为结场效应晶体管和 MOS 场效应晶体管。而 MOS 场效应晶体管又 分为 N 沟耗尽型和增强型； P 沟耗尽型和增强型四大类。见下图。MSV OTO卅构道丿N

4、NOS 1 Jpl足ijGjF-广绝缰型sIGFET(MOS)结JFETPMOSN沟ifil統尽型r堰强塑I £J罕ftmao“海退»G注* MOS半导体场舷巻c W4i - WS 1 AwK *诧SZ0121结型场效应管三、场效应管结构和工作原理1结型场效应管1）结型场效应管的结构场效应管是电压控制器件，克服了晶体管输入回路 PN结正向偏置是有输入电流的缺点, 应用PN结电压效应来控制输出回路电流，输入回路基本上不取电流。如N沟道结型场效应管示意图N沟道结型场效应管结构示意图内部结构N沟道结型场效应管内部结构示意图符号及晶体管的比较定宽度，ID=|UGS|减小,当 UGS

5、负值VP称为夹断电2）结型场效应管的工作原理1栅源电压UGS对导电沟道的影响（设 UDS = 0）在图Z0123所示电路中，UGS V 0,两个PN结处于反向偏置，耗尽层有-0。若|UGS|增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大；若 耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。这表明UGS控制着漏源之间的导电沟道。增加到某一数值 VP时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。（ID = 0。压）此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，(Jgi o -Ugi &Ub. >VpUDt >Vp一不同"F沟ili狀况怖黄健一QQ Uct = o &quo

6、t; Ud*< VpE1Z0123沟道状态的娈化2漏源电压UDS对漏极电流ID的影响（设UGS = 0）当UDS = 0时，显然ID = 0;当UDS >0且尚小对，P N结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀， 这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS成线性规律变化（如图Z0124曲线OA段）；若UDS再继续增大，耗尽层也随之增宽， 导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。绦型増披防昔忖出

7、特rtDH41I Z0124 输出特性曲线2. 漏源电压UDS对漏极电流ID的影响（设UGS = O）当U DS = 0时，显然ID=O;当UDS> 0且尚小对，PN结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀， 这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS成线性规律变化（如图Z0124曲线0A段）；若UDS再继续增大，耗尽层也随之增宽， 导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。转移特性与纵坐标轴交点处的电

8、流，即 VGS=（时的饱和漏电流IDSS。转移特性与横坐标轴交点处的电压，即ID=0时的夹断电压VP也就是说，VGS=0寸，ID 得到最大值。VGS越负，ID越小。当VGS=VPt, ID约等于零。2. 场效应管工作在饱和区的转移特性可用近似公式。因此，只要给出了IDSS和VP,转移特性中其它点可近似算出。3. 改变VDS可得到一族转移特性曲线。但在恒流区 ID几乎不随VDS而变。所 以，不同的VDS的转移特性很近，可以认为转移特性重为一条曲线，以简化分析转移特性曲线输出特性与转移特性曲线的关系因为输出特性和转移特性都是反映场效应管工作的同一物理过程，所以转移特性曲线与输出特性曲线之间是相互联

9、系的。由输出特性曲线可作出转移特性曲线。只需在输出特性曲线上，对应于一固定 VDS处作一条垂直的直线，它与VGS为不同值的输出特性曲线有一系列交点，由 此得到一对对的VGS-ID值，即可画出相应的转移特性曲线。转移特性与纵坐标轴交点处的电流，即 VGS=J寸的饱和漏电流IDSSo转移特性 与横坐标轴交点处的电压，即ID=0时的夹断电压VR也就是说，VGS=0M, ID 得到最大值。VG灘负，ID越小。当VGS二V时，ID约等于零。2. 场效应管工作在饱和区的转移特性可用近似公式。因此，只要给出了IDSS和 VP,转移特性中其它点可近似算出。3. 改变VD$可得到一族转移特性曲线。但在恒流区 I

10、D几乎不随VD師变。所 以，不同的VD®勺转移特性很近，可以认为转移特性重为一条曲线，以简化分析。转移特性曲线输出特性与转移特性曲线的关系因为输出特性和转移特性都是反映场效应管工作的同一物理过程，所以转移特性曲线与输出特性曲线之间是相互联系的。由输出特性曲线可作出转移特性曲线。只需在输出特性曲线上，对应于一固定 VDS&作一条垂直的直线，它与VG助不同值的输出特性曲线有一系列交点，由 此得到一对对的VGS-ID值，即可画出相应的转移特性曲线。转移特性与纵坐标轴交点处的电流，即 VGS=J寸的饱和漏电流IDSSo转移特性 与横坐标轴交点处的电压，即ID=0时的夹断电压VR也就是

11、说，VGS=0M, ID 得到最大值。VG灘负，ID越小。当VGS二V时，ID约等于零。2. 场效应管工作在饱和区的转移特性可用近似公式。因此，只要给出了IDSS和 VP,转移特性中其它点可近似算出。3. 改变VD$可得到一族转移特性曲线。但在恒流区 ID几乎不随VD師变。所 以，不同的VD®勺转移特性很近，可以认为转移特性重为一条曲线，以简化分析。转移特性曲线输出特性与转移特性曲线的关系因为输出特性和转移特性都是反映场效应管工作的同一物理过程，所以转移特性曲线与输出特性曲线之间是相互联系的。由输出特性曲线可作出转移特性曲线。只需在输出特性曲线上，对应于一固定 VDS&作一条

12、垂直的直线，它与VG助不同值的输出特性曲线有一系列交点，由 此得到一对对的VGS-ID值，即可画出相应的转移特性曲线。（已知I dss, VP,只需将Q点处的VGs代入下式->gm）（2）极间电容场效应管三个电极之间的等效电容（CGS CGD CDS，由于PN结的势垒电 容和分布电容 构成。一般规定（在Vgs=0, Vds=10V的情况下）， 用特定的频率 信号进行测量。CGS CGD 1-3PF, CDS:0.1-1PF.极间电容降低，则管子的高 频性能也就越高。（3）低频噪声系数NF噪声有管子内P载流子运动的不规则性引起的。由于它的存在，使得一个放 大器即使没有输入信号，在输出端也出

13、现不规则的电压或者电流变化。 噪声产生 的影响常用NF表示，单位：dB。NF越小，场效应管性能越好。NF: 般是几 dB.（由于只有一种载流子运动，所以 NF比双极型晶体管要小）.极限参数（1）最大漏极电流I DM由于管的截面积有限，而导电沟道的电流密度又不可能过大。I DM指管在工作时允许的最大漏极电流。（2）最大耗散功率PDm场效应管的漏极耗散功率PD二iDVDs,这一耗散功率将改变I,使之产生一定的 热能，热能使管 子的T升高。为限制T,需要限制FD<Pd。Pdm决定了场效应管 允许的最高温度。（3）漏极（D S）击穿电压V（BR） DSo I DM升高，发生雪崩击穿时的 V）S值

14、。S击穿电压V （ BR DSJFET 正常工作时，GS间PN结处于反向偏置状态，若 Vgs过高，PN结将 被击穿。V（br ds指PN结反向电流开始急剧增加时的 Vgs值。2、绝缘栅型场效应管结构：栅极与源极、栅极与漏极之间均采用Si。？绝缘层隔离而得名,又称MOS管。特点：栅-源间输入电阻高，达 1010 以上，温度稳定性好、集成工 艺简单，广泛用于大规模和超大规模集成电路中。分类：增强型管（N沟道和P沟道）和耗尽型管（N沟道和P沟道） 增强型管定义：栅-源电压、为零时漏极电流为零。耗尽型管定义：栅-源电压 -为零时漏极电流不为零。1）增强型场效应管结构 'I L7- I_1 -L

15、I I ”口 '增强型场效应管结构示意图JFET的输入电阻可达10欧姆欧姆，但就本质而言，这是PN结的反向电阻， 而反向偏置时总有反向电流存在，这就限制了在某些工作条件下对阻值的更高要 求。同时，从制造工艺看，把它高度集成化还比较复杂。绝缘栅型场效应管由金属-氧化物-半导体场效应管制成，称为Metal-Oxide-Semiconductor, 简称为MOSFET这种场效应管的栅极被绝缘层（例,C1如SiO2）隔离，因此Ri更高，可达欧姆以上。MOS管与JFET的不同之处在于它们的导电机构和电流控制原理不同。JFET利用耗尽层的宽度改变导电沟道的宽度来控制ID,MOSFET则是利用半导体

16、表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制电流。MOS管分为N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型：增强型：当VgS=0,无导电沟道,I D=0耗尽型：当VGS=0,有导电沟道,1 D 0增强型MOSFE的结构（1）P型Si半导体薄片一一衬底（2）利用扩散的方法在P型Si中形成两个高N+区，并引进铭电极S、Do（3）P型Si表面覆盖SiO2绝缘层，再引出G极。所以G极与其它电极间是绝 缘的。（4）衬底引线一一通常与S相连（在管子内部）。箭头表示由衬底（P）指向沟道（N）MOSFE符 号2）增强型MOSFE的工作原理MO葷与JFET的不同之处在于它们的导电机构和电流控制原理不同。

17、JFET利用耗尽层的宽度改变导电沟道的宽度来控制ID,MOSFETTOJ是利用半导体表面的电场效应，由感应电荷的多少改变导电沟道来控制电流。MO葷分为N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型：增强型：当Vgs=0,无导电沟道，1 d=0耗尽型：当Vgs=0,有导电沟道，1 D 0增强型MOSFE的结构(1) P型Si半导体薄片一一衬底(2) 利用扩散的方法在P型Si中形成两个高N4g,并引进铭电极S、Do(3) P型Si表面覆盖Si02绝缘层，再引出G极。所以G极与其它电极间是绝 缘的。(4) 衬底引线一一通常与S相连(在管子内部)。箭头表示由衬底(P)指向沟道(N)MOSFE符号2)增

18、强型MOSFE的工作原理当Vgs>0如图o BV3S>0G-P间是以SiO2为介质的平板电容C-电场E（由于SiO2层薄,d很小，即使 Vgs只有几伏,E=V/d,也能产生强电场）一-排斥P型Si中的多子而吸引少子到表 面层，电子在表面层与空穴复合，从而在表面留下带负电的离子组成的耗尽层。 增大Vgs,耗尽层增大。当Vgs增大到一定数值时一-> P型衬底表面层中，不仅空 穴全部被排斥和耗尽，而且自由电子大量地被吸收到表面层， 使得表面层变成为 自由电子占多数的N型层。（由于是在P型中感应产生N型电荷层，故称为反型 层）。这一反型层将D与S的两个N+区相连通一-> D-S

19、间的N型导电沟道。（由 于是感应产生，故为感生沟道，称为反型层）。讨论： 显然,VgsT> EJ> P型Si表面的eT （这种表面负电 荷主要从S-D区N+得到.由于P型中e浓度J感生沟道（反型层）T沟道RJ。开始形成反型层所需的Vgs：开启电压VTo（2）这种在Vg=0时没有导电沟道,须靠G-S电压作用,形成感应沟道的场效应管 -增强型.（符号中的断开线反映了增强的特点）。（3）感生沟道出现，原被P型衬底隔开的N+（S、D区）就被感生沟道连在一起。但 Vds=0,所以 I d=0。当 VgaVT,Vds>0（可变）如图（2）当心0如图G-P间是以SiO2为介质的平板电容C-

20、电场E（由于SiO2层薄,d很小，即使 Vgs只有几伏,E=V/d,也能产生强电场）一-排斥P型Si中的多子而吸引少子到表 面层，电子在表面层与空穴复合，从而在表面留下带负电的离子组成的耗尽层。 增大Vgs,耗尽层增大。当Vgs增大到一定数值时一-> P型衬底表面层中，不仅空 穴全部被排斥和耗尽，而且自由电子大量地被吸收到表面层， 使得表面层变成为 自由电子占多数的N型层。（由于是在P型中感应产生N型电荷层，故称为反型 层）。这一反型层将D与S的两个N+区相连通一-> D-S间的N型导电沟道。（由 于是感应产生，故为感生沟道，称为反型层）。讨论：（1）显然,VgsT- EJ- P型

21、Si表面的eT （这种表面负电 荷主要从S-D区 N#寻到.由于P型中e浓度J ）-感生沟道（反型层）T-沟道R；o开始形成 反型层所需的Vgs：开启电压VTo（2）这种在怡歹0时没有导电沟道，须靠G-S电压作用，形成感应沟道的场效应管 -增强型.（符号中的断开线反映了增强的特点）。（3）感生沟道出现，原被P型衬底隔开的N+（S、D区）就被感生沟道连在一起。但 Vds=0,所以 I d=0。当V3AVT,VdaO（可变）如图（2）当心0如图G-P间是以SiO2为介质的平板电容C-电场E（由于SiO2层薄,d很小，即使 Vgs只有几伏,E=V/d,也能产生强电场）一-排斥P型Si中的多子而吸引少

22、子到表 面层，电子在表面层与空穴复合，从而在表面留下带负电的离子组成的耗尽层。 增大Vgs,耗尽层增大。当Vgs增大到一定数值时一-> P型衬底表面层中，不仅空 穴全部被排斥和耗尽，而且自由电子大量地被吸收到表面层， 使得表面层变成为 自由电子占多数的N型层。（由于是在P型中感应产生N型电荷层，故称为反型 层）。这一反型层将D与S的两个N+区相连通一-> D-S间的N型导电沟道。（由 于是感应产生，故为感生沟道，称为反型层）。讨论：（1）显然,VgsT- EJ- P型Si表面的eT （这种表面负电 荷主要从S-D区 N#寻到.由于P型中e浓度J ）-感生沟道（反型层）T-沟道R；o

23、开始形成 反型层所需的Vgs：开启电压VTo（2）这种在怡歹0时没有导电沟道，须靠G-S电压作用，形成感应沟道的场效应管 -增强型.（符号中的断开线反映了增强的特点）。（3）感生沟道出现，原被P型衬底隔开的N+（S、D区）就被感生沟道连在一起。但 Vds=0,所以 I d=0。当V3AVT,VdaO（可变）如图2.转移特性曲线转移特性曲线i D=f(V GJ)|V DS=C.(突出表示 VGS对iD的控制作用)恒流区内，iD受Vds影响很小，因此，在恒流区内不同Vds下的转移特性基本重合。近似关系:（I DSS VgS=2Vt 时的 i D 值）绝缘栅场效应管参数与结型管基本相同。 需要注意的

24、是，在绝缘栅场效应管中不用夹断电压VP,而用开启电压 V表征管子的特性。如P沟道增强型MOSFE特性曲线图2.转移特性曲线转移特性曲线i Ef（V G9|V D2C.（突出表示VGS对iD的控制作用）恒流区内，i D受VDS影响很小，因此，在恒流区内不同VDS下的转移特性基本重合近似关系：（I dss 乂萨2Vr时的i d值）绝缘栅场效应管参数与结型管基本相同。 需要注意的是，在绝缘栅场效应管中不用夹断电压VP,而用开启电压 V表征管子的特性。如P沟道增强型MOSFE特性曲线图2.转移特性曲线转移特性曲线i Ef（V G9|V D2C.（突出表示VGS对iD的控制作用）恒流区内，i D受VDS

25、影响很小，因此，在恒流区内不同VDS下的转移特性基本重合近似关系：（I dss 乂萨2Vr时的i d值）绝缘栅场效应管参数与结型管基本相同。 需要注意的是，在绝缘栅场效应管中不用夹断电压VP,而用开启电压 V表征管子的特性。如P沟道增强型MOSFE特性曲线图3、各种场效应管的符号和特性曲线类型JFETN沟道JFET巧勾道増强型NMOS耗恳型NMOS符号和极性D©B转移特性输出特性504 V= +4V3V-G6_ Tbs±1 V+2V+3V耗恳型PMOS四、VMOS管MOS管不能承受较大的功率。VMOS管从结构上较好地解决了 散热问题，可制成大功率管，结构如图所示。在栅-源电

26、压 一大于开启电压 I时，在P区靠近V型槽氧化层表 面所形成的反型层与下边区相接，形成垂直的导电沟道。漏-源间外加正电源时，自由电子将沿沟道从源极流向 N型外延层、2区衬底到 漏极，形成从漏极到源极的电流 o屮型衬底亠 mu 亠Z-IV 1 H丄曰1勺中<4* * Ml I亠日 I r 土 F E 4 > t*« M&m 1 r|声g 匸宀=. nAt JEM申1手冃卜斗P 丄* I 1 -J ' f LLA KJJvmost的漏区散热面积大，便于安装散热器，耗散功率达千瓦以上；漏-源击穿电压高，上限工作频率高；当漏极电流大于某值(500mA时，与 基本成

27、线性关系。五、场效应管使用注意事项1从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起， 这种场效应管的 源极和漏极就不能互换了。2场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅 - 源电压 vGS的极性不能接反。3当 MOS 管的衬底引线单独引出时， 应将其接到电路中的电位最低点 （对N沟道MOS管而言）或电位最高点（对 P沟道MOS管而言），以保证沟道与衬底间的 PN 结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。4. MOS?的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路， 存放时应将各电极

28、短路。 焊接时，电烙铁必须可靠接地， 或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。六、场效应管和晶体管的比较1. 场效应管主要有结型场效应管（JFET和绝缘栅型场效应管（IGFET o 绝缘栅型场效应管的衬底（B）与源极（S）连在一起，它的三个极分别为栅极（G）、 漏极（D）和源极（S）。晶体管分NPN和PNP管，它的三个极分别为基极（b）、 集电极（c）、发射极（e）o场效应管的G D S极与晶体管的b、c、e极有相 似的功能。绝缘栅型效应管和结型场效应管的区别在于它们的导电机构和电流控 制原理根本不同， 结型管是利用耗尽区的宽度变化来改变导电沟道的宽窄以便控 制漏极电流， 绝缘栅型场效应管则是用半导体表面的电场效应、 电感应电荷的多 少去改变导电沟道来控制电流。它们性质的差异使结型场效应管往往运用在功放 输入级（前级），绝缘栅型场效应管则用在功放末级（输出级）。2. 双极型晶体管内部电流由两种载流子形成，它是利用电流来控制。场效 应管是电压控制器件，栅极（G）基本上不取电流，而晶体管的基极总要取一定的电流，所以在只允许从信号源取极小量电流的情况下， 应该选用场效应管。而 在允许取一定量电流时， 选用晶体管进行放大， 可以得到比场效应管高的电压放 大倍数。3. 场效应管是