(完整版)对场效应管工作原理的理解

1、如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。场效应管的结构场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。结型场效应管的结构结型场效应管又叫JF

2、ET，只有耗尽型。这里以N 沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N 沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N 型硅，材料(沟道 ) 上引出两个电极，分别为源极(S) 和漏极(D) 。在它的两边各附一小片P 型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN 结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压UDs，就有电流流过，ID 将随 UDS 的增大而增大。如果给管子加上负偏差UGS 时， PN 结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区( 如图 a 中阴影区所示 )。其性能类似于

3、绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N 型硅片 (沟道 ) 中的电流大小的目的。注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN 结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时I D 是最大的。特点： 1 ， GS 和 GD 有二极管特性，正向导通，反向电阻很大2： DS 也是导通特性，阻抗比较大3： GS 工作在反向偏置的状态。4： DS 极完全对称，可以反用，即D 当做 S，S 当做 D。从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于

4、基极，源极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成P 型，而栅极做成N 型，则成为P 沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b 所示。符号：箭头的方向仍然是PN 结正向导通的方向。绝缘栅场效应管MOSFET结型虽然电压控制方式，但是仍然有少子的飘移形成电流。绝缘栅场效应管是栅极与衬底完全绝缘，所以叫绝缘栅场效应管。绝缘栅型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应晶体管(MOSFET) 分为增强型和耗尽型两大类，每类中又有N 沟道和 P 沟道之分， N 沟道又叫 PMOS 管， P 沟道又叫 NMOS 管。不象双极型晶体管只有NPN 和 PNP 两类，场效应晶体管的种类要多一些。

5、但是它们的工作原理基本相同，所以下面以增强型N 沟道场效应晶体管为例来加以说明。绝缘栅型场效应三极管MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为增强型N 沟道、 P沟道耗尽型N 沟道、 P沟道N 沟道增强型MOSFET 的结构示意图和符号见图4.1 。其中：D(Drain)为漏极，相当c；G(Gate)为栅极，相当b；S(Source)为源极，相当e。（衬底断开是是指两个N 区没有相连。如果两个相连，靠改变沟道的宽度来控制电流就是耗尽型）制作过程：取一块 P 型半导体作为衬底，用B 表示。用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。然后用光刻工艺腐蚀出两个孔

6、。扩散两个高掺杂的N 型区。从而形成两个PN 结。（绿色部分）从 N 型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。N 沟道增强型MOSFET 的符号如图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。（衬底在内部与源极相连，所以绝缘栅MOSFET 的 D、 S 极是不能互换的。箭头的方向仍然是衬底和 S 极和 D 极的 PN 结方向，而栅极没有半导体，只是电容器的一个极板。而结型的箭头是栅极向 S 极和 D 极的 PN 结方向，这就是为什么同样是N 沟道，结型和绝缘栅型的箭头方向相反。）2 N 沟道增强型MOSFE

7、T 的工作原理对 N 沟道增强型 MOS 场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是栅源电压GS 对沟U道会产生影响，二是漏源电压U 也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流ID产生影响。DS1）栅源电压UGS 的控制作用先令漏源电压UDS=0 ，加入栅源电压UGS 以后并不断增加。UGS 带给栅极正电荷，会将正对SiO2 层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。（注：耗尽层的载流子减少，导电能力变差）同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。显然改变 UGS 就会改变沟道，从而影响I D ，这说明

8、 UGS 对 I D 的控制作用。GS 较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有DS ，也不能形成ID 。当增加GS，使ID 刚刚当 UUUGS 称为开启电压，用GS(th) 或T 表示。出现时，对应的 UUU沟道中的电子和DS ，就会有漏极电P 型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上U流 ID产生。DS的控制作用2）漏源电压 U设 UGSUGS(th) ，增加 UDS，此时沟道的变化如下。显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入UDS 后， UDS 将沿漏到源逐渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN 结的宽度最大。所以加入DS 后，在漏源之间会形U成一个倾斜的

9、PN 结区，从而影响沟道的导电性。当 UDS 进一步增加时， I D 会不断增加 ,同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态称为预夹断。当 UDS 进一步增加时， 漏端的耗尽层向源极伸展，此时 I D 基本不再增加，增加的 UDS 基本上降落在夹断区。3 N 沟道增强型MOSFET 的特性曲线N 沟道增强型 MOSFET 的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和漏极输出特性曲线。1) 转移特性曲线N 沟道增强型 MOSFET 的转移特性曲线如左图所示，它是说明栅源电压GS 对漏极电流ID 的控U制关系，可用这个关系式来表达，这条特性曲线称为转移特性曲线。转移特性曲线的斜率gm 反映了栅源

10、电压对漏极电流的控制作用。gm 称为跨导。这是场效应三极管的一个重要参数。gmI D单位 mS（ mA/V ）U DS constU GS2) 漏极输出特性曲线当 UGS UGS(th) ，且固定为某一值时，反映 UDS 对 ID 的影响，即 ID= f( UDS) UGS=const 这一关系曲线称为漏极漏极输出特性曲线。场效应三极管作为放大元件使用时，是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区，从曲线上可以看出UDS 对 I D 的影响很小。但是改变UGS 可以明显改变漏极电流ID，这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。曲线分五个区域：（ 1）可变电阻区（ 2）恒流区（放大区）（ 3）截止区

11、（ 4）击穿区（ 5）过损耗区从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下：4 N 沟道耗尽型MOSFETN 沟道耗尽型MOSFET 的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的SiO2 绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当 UGS=0 时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当GS=0 时，对应的漏极电流用IDSS 表示。当GS 0 时，将使ID 进一步增加。（注：正UU电压使导电层导电能力增强。）GS 0 时，随着GS 的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0 。对应ID=0 的GS 称为夹断电压，用UUU符号 UGS(off) 表示，有时也用UP 表

12、示。 N 沟道耗尽型MOSFET 的转移特性曲线如上图所示。P 沟道增强型MOSFET 的结构和工作原理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。这都是从讲的比较好的文章中摘录下来的，结型的管子道理好理解，而mos 管，大多数的讲解都如此，不能让人理解。首先我们看一下太阳能电池，太阳能电池实际就是一个PN 结。由于 PN 结的掺杂性，会在内部形成一个电势差。通常正向导通需要0.40.7伏的电压就是克服内电场的。硅管和锗管的电压不同。而反接的时候，在没有击穿的时候，相当于

13、一个电容器，充满电就不能导电了。变容二极管就是这种运用。而在太阳能电池里面，PN 结是当电池使用，在电池的外部， P 区的电子会通过电阻到 N 区和正电荷中和，这种作用会使扩散又会使 PN 结的电压升高。当达到平衡时，会形成恒定的电流。从能量的角度，收能量，转化为电能，电能又通过电阻转化为热能。下面我们来看场管的工作原理PN 结电压降低。而PN 结从外面吸当场管没有加任何电压时，D 极和 S 极有两个完全相同的PN 结，这时 N 区的电势会比P 区高，当，场管在内部把S 极和衬底相连时，PN 结绝对不会消失，因为PN 结电压很小，实际测量只有几毫伏。这时导线可以看成一个小电阻，不能忽略。但可以

14、使PN 结电压降低，此时D、S 两极的 PN结宽度已经不相等了，而且S 极宽度较小。当给 S 极和 G 极加上正向电压的时候，P 材料和 N 材料就和 G 极构成一个电容器，由于充电效应，栅极带正电，下面相对的 N 型和 P 型材料表面就构成另一个极板，都带负电，这样整个表面就成了一个等势面。从而使两个 N 连在一起了。但是由于 PN 结的存在， P 衬底和 N 绝对不会电势相等，这样由于电场的作用，就把P 衬底分成两个区。当 VGS 很小时，虽然连在一起，但是并不能形成ID ，因为这些负电荷被原子核吸附住了。并不能自由移动。同样在PN 结之间形成的耗尽层，里面的载流子也很少，只有当VGS 增

15、加到一定的程度，下面等势面宽度变宽，负电荷增多，且有可以自由移动的电荷时，才会形成有效的电流，这就是开启电压，所以VGS能起到控制电流的作用。我们来看一下，电容器的情况，当把一个金属块放在两个电容中间时，出现的情况。此时的 MOS 管正是这种情况。当再 DS 之间加上电压时，电流流过负极板这一层，会形成电压降。使得负极板各处的电压不相等。我们可以等效为这种情况。把下表面看成一小块一小块的。这样越靠近S 极，两板的电势差越大，充电就越多，导电区域就越宽。反之越靠近D 极，两板的电势差越小，充电就越少，导电区域就越窄。下面的耗尽层这时我们不作讨论。当 ID 增加到一定值时，靠近 D 极的一端会出现

16、电势相等的情况，那么下表面不会感应出负电荷，出现沟道断开的现象，这就是预夹断。当 ID 继续增加，就出现完全夹断的情况。当理解了 MOS 管的工作原理之后，其它知识就可以循序渐进的进行学习和理解了，不管这种解释是否合理，至少是让人容易理解理解了MOS 管的工作原理。由于结构不一样，测量时也不一样。1、增强型 MOS 管，1）、没有加电压时，GS， GD、DS 任意两个脚都是不通的，2）、如果 DS 是导通的，不能马上认为是击穿损坏，因为如果先测量GS，因为万用表内部电压，相当于给栅极G 充电，DS 沟道就联通了。这是应该将栅极G 和源极S 短路一下，把充电放掉，再测量，如果不通是好的，通就是击

17、穿短路的。2、耗尽型MOS 管的测量方法耗尽型 MOS 管的GS 和GD 都是不通的，但DS 是导通的。用万用表给GS 加负电压，DS 之间的电阻应该增大。下面简述一下用C-MOS 场效应管（增强型MOS 场效应管）就是将一个P 沟道的增强型PMOS 场效应管和N 沟道的增强型NMOS 场效应管组合在一起使用，叫C- MOS场效应管电路的工作过程如下。当输入端为低电平时，P 沟道 MOS 场效应管导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N 沟道 MOS 场效应管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，P 沟道MOS 场效应管和N 沟道MOS 场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和

18、输出端相反。很简单就组成一个反向器。所以在大规模集成电路中使用广泛。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到 0V，通常在栅极电压小于 1 到 2V 时， MOS 场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。由以上分析我们可以画出原理图中MOS 场效应管电路部分的工作过程（见图10）。工作原理同前所述。场效应晶体管（ Field Effect Transistor缩写 (FET) ）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子 ,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而 FET 仅是由多数载流子参与导电 ,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（ 10 8109 ）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞