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

2、管又叫 JFET，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

3、所示 )。其性能类似于绝缘体，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ID 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

4、极管加以对比，即栅极相当于基极，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

5、，场效应晶体管的种类要多一些。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 表示然后用光刻工艺

6、腐蚀出两个孔用氧化工艺生成一层 SiO2 薄膜绝缘层。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。 层金属铝作为栅极 G。在源极和漏极之间的绝缘层上镀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

7、N 沟道，结型和绝缘栅型的箭头方向相反。 ）2 N 沟道增强型 MOSFET 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UGS 对沟道会产生影响，二是漏源电压 UDS 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1）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

8、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 ID ，这说明 UGS对 I D的控制作用。当 UGS较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有UDS ，也不能形成 ID 。当增加 UGS，使 ID 刚刚出现时，对应的 UGS称为开启电压，用 UGS(th)或 UT 表示。沟道中的电子和 P 型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。此时若加上UDS ，就会有漏极电流 ID 产生。2)漏源电压 UDS 的控制作用设 UGS>UGS(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

9、内，漏极和衬底之间反偏最大， PN结的宽度最大。所以加入 UDS 后，在漏源之间会形成一个倾斜的 PN 结区，从而影响沟道的导电性当 UDS进一步增加时， ID 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UGS 对漏极电流 ID 的控制关系，可用这个关

10、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。gmUID UDS const单位 mS(mA/V )U 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

11、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（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 UGS=0 时，对应的漏极电流用 IDSS表示。当 UGS>0 时，将使 I D进一步增加。（注：正 电压使导电层导电能力增强。）UGS<0时，随着 UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至 I

12、D=0 。对应 ID=0 的 UGS称为夹断电压，用符号 UGS（off）表示，有时也用 UP表示。 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

13、 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 PN 结电压降低。而 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，PN结从外面吸收能量，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

14、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

15、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，

16、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 极的一端会出现电势相等的情况，那么下表面不会感应出负电荷，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

17、放掉，再测 量，如果不通是好的，通就是击穿短路的。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

18、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（ 108109）、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