结型场效应管

1、dd结型场效应管如图XX_01（a）所示，在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的 P型区（用P+表示），就形成两个不对称的P+N结。把两个P+区并联在一起，引 出一个电极，称为栅极（g），在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为 源极（s）和漏极（d）。它们分别与三极管的基极（b）、发射极（e）和集电 极（c）相对应。夹在两个P+N结中间的N区是电流的通道，称为导电沟道（简 称沟道）。这种结构的管子称为N沟道结型场效应管，它在电路中用图XX_01（b） 所示的符号表示，栅极上的箭头表示栅、源极间P+N结正向偏置时，栅极电流的 方向（由P区指向N区）。实际的JFET结构和制造工艺比上

2、述复杂。N沟道JFET的剖面图如图XX_01（c）所示。图中衬底和中间顶部都是P+型半导体，它们 连接在一起（图中未画出）作为栅极g。分别与源极s和漏极d相连的N+区，是通过光刻和扩散等工艺来完成的隐埋层，其作用是为 源极s、漏极d提供低阻通路。三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出。如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。图XX_02给出了这种管子的结 构示意图和它在电路中的代表符号。由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。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

3、沟道结型场效应管工作时，也需要外加如图XX_01所示的偏置电压，即在栅极与源极间加一负电 压(u V0)，使栅、源极间的P+N结反偏，栅极电流i 0,场效应管呈现很高的输入电阻(高达108左右)。 在漏极与源极间加一正电压(u 0)，使N沟道中疝多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运一一 、DS、一 -动，形成漏极电流i。i的大小主要受栅源电压u控制，同时也受漏源电压u的影响。因此，讨论场效 D DGSDS1.uGs对iD的控制作用图 XX_01当栅源电压ugs=0时，沟道较宽，1.uGs对iD的控制作用图 XX_01当栅源电压ugs=0时，沟道较宽，图XX_02所示电路说明了 uS对

4、沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏源极间所加电压uD0。 其电阻较小。当ugs0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图XX_02(b)所示。当W遍进一步增大到一定值1*1时，两侧的耗尽层将在中间合拢，沟道全部被夹断，如图XX_02(c)所示。由于耗尽层中没有载流子， 因此这时漏源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的uds，漏极电流iD也将为零。这时的栅源电压称为夹断电压，用匕表示。2. uDS对iD的影响设v值固定，且Vv v 一v即v VV时，耗尽层合

5、拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如 DSDS GS P GD P图XX_03（c），夹断区的电阻越来越大，但漏极电流i却基本上趋于饱和，即i不随v的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大，vDDDSDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vS增加到大于某一极限值（用Vbrds表示）后，漏 极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vds不能超过匕晌仍。（BR）DS从结型场效应管正常工作时的原理可知：结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流i 0,输入阻抗很 高。漏极电流受栅源电压v控制，所以场

6、效应管是电压控制电流器件。 预夹断前，即v较小时，i与v间基本呈线性关系；预 GSDSD DS夹断后，iD趋于饱和。P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。上述分析表明，改变栅源电压七S的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源极间加上固定的正向电压VDS，则漏极电流七 将受七S的控制，如耕增大时，沟道电阻增大，iD减小。上述效应也可以看作是栅、源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强 度的大小控制了沟道的宽度，从而控制了沟道电阻的大小，也就是控制了漏极电流iD的大小。由于结型场效应管的栅极输入电流iG0，因此很少应用输入特性，常用的特性曲线有输出特

7、性曲线和转移特性曲线。输出特性曲线输出特性曲线用来描述v取一定值时，电流i和电压v间的关系，即如过做。它反映了漏极电压v对i的影响。GSDDSDS D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。可变电阻区可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分，它表示v较小、管子预夹断前，电压v与漏极电可*流iD间的关系。DSDS电阻区法在此区域内有V Vv 0， v Vv V。当v 一定，v较小时，v对沟道影响不大，沟道电阻基本口4P GSDS GS PGSDSDS不变，iD与vDS之间基本呈线性关系。若函增加，则沟道电阻增大，输出特性曲线斜率减小。0

8、.2所以，在v较小时，源、漏极间可以看作是一个受v控制的可变电阻，故称这一区域为可变电阻区。4 s 1012 凿 如。奶这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。图XX_01（2）饱和区（也称恒流区） TOC o 1-5 h z 当V v 0且v v -V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v与 P GSDS GS PDS漏极电流，间的关系。饱和区的特点是i几乎不随v的变化而变化，i已趋于饱和，但它受v的控制。*斓增加，沟道电阻增加，iDDDSDGSD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

9、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（v =v -V）的轨迹。显然，预夹断DS GS P 点随v改变而变化，v愈负，预夹断时的v越小。 GSGSDS（3）击穿区管子预夹断后，若v继续增大，当栅漏极间P+N结上的反偏电压v增大到使P+N结发生击穿时，i将急剧上升，特DSGDD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 陀咱 险时，沟道全部被夹断，产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）。转移特性曲线转移特性曲线用来描述v取一定值时，i与v间的关系的曲线，即DSD GS它反映了栅源电压

10、七S对iD的控制作用。由于转移特性和输出特性都是用来描述V、U及i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. . GS . DS D. 一一 一 一-一一一一所示的输出特性中作一条V =10V的垂线，将此垂线与各条输出特性曲线的父点A、B和C所对应的i、V的值转移到i -V直角坐标系DSD GSD GS中，即可得到转移特性曲线初儿5,如图XX_02(a)所示。中，即可得到转移特性曲线初儿5,如图XX_02(a)所示。(a)VDs=10V时的转移特性曲线(b)VDs取不同值时的转移特性曲线图 XX_02改变V的大小，可得到一族转移特性曲线，如图XX_02（b

11、）所示。由此图可以看出，当v N附（图中为v N5V）后，不同v下的转DSDSDSDS移特性曲线几乎重合，这是因为在饱和区内，几乎不随V而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中i与V的关系。在饱和区. DDSD GS内iD可近似地表示为3D = 1典(1 一 -吟(Vpvgs0) (5.1.1)式中I为V =0，V N险时的漏极电流，称为饱和漏极电流。DSS GSDS夹断电压匕。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。饱和漏极电流I。在V =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，I也是管子所能输出的

12、最大电流。DSSGSDSS直流输入电阻qs。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。E =既 低频跨导邕。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，即陷喧皿（5.1.2）g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，邕与管子的工作电流有关，七越大，邕就越大。在放大电路中，场效应管工作在饱和区(恒流区)，邕可由式和计算求得， TOC o 1-5 h z 即熨*输出电阻尸。当v为常数时，漏源电压的微小变化量与漏极电流，的微小变化量之比为输出电阻尸

13、，即 dGSDd尸反映了漏源电压v对，的影响。在饱和区内，i几乎不随v而变化，因此，尸数值很大，一般为几十千欧几百千欧。dDS DDDSd7.最大漏源电压匕rds。 则匕br)ds越小。(BR)DS极间电容C、C、C C是栅源极间存在的电容，C是栅漏极间存在的电容。它们的大小一般为13pF，而漏源极间的电容C 约为0.11pFS在低Sfe情况下；7.最大漏源电压匕rds。 则匕br)ds越小。(BR)DSvGs的负值越大，指管子沟道发生雪崩击穿引起i急剧上升时的v值。V 的大小与v有关，对vGs的负值越大，DDS(BR)DSGS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v

14、gs值，这时栅极电流由零而急剧上升。漏极最大耗散功率P。漏极耗散功率P (=v i)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1环境温度有关。D DS D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。神化镓（GaAs ）是由化学元素周期表中III族元素镓和V族元素神二者组成的单品化合物，因此，它又叫做IIFV化合物，是一种新型半 导体材料。它的特性与周期表中W族元素硅类似，但重要的差别之一是，GaAs的电子迁移率比硅约大510倍。用GaAs制造有源器件 时，具有比硅器件快

15、得多的转换速度（例如在截止、饱和导通间变化）。高速神化镓三极管正被用于微波电路、高频放大和高速数字 逻辑电路中。一种由神化镓制造的N沟道FET叫做金属-半导体场效应管（MES-FET），它具有高速特性等优点，应用广泛。N沟道MESFET的物理结构和电路符号分别如图XX_01（a）、（b）所示。图（a） 表明，在GaAs衬底上面形成N沟道，然后在N沟道两端利用光刻、扩散等工 艺掺杂成高浓度N+区，分别组成漏极d和源极s。当MESFET的栅区金属（例如 铝）与N沟道表面接触，将在金属-半导体接触处形成肖特基势垒区，它和硅 JFET中栅极、沟道间的PN结相似。MESFET的肖特基势垒区也要求外加反偏电 压，七s愈负，肖特基势垒区愈宽，N沟道有效截面愈小，因此，漏极电流匕将 gs属于耗尽型器件，有一夹断电压匕。由于神化镓的电导率很低，用作衬底时对相邻器件能起良好