【模拟电子技术基础】第1章常用半导体器件（场效应管）

效应管及其类型

效应管（FET，Field Eeffect Transistor）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。由于仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。

根据结构不同可分为两大类：结型场效应管（JFET，Junction Field Effect Transistor）和绝缘栅型场效应管（IGFET，Insulated Gate Field Effect Transistor）。后者因为其栅源和栅漏之间军采用二氧化硅作为绝缘层隔离，又名金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET，metal-oxide-semiconductor，简称MOS管)。

每一类又有N沟道和Р沟道两种类型。其中MOS管又可分为增强型和耗尽型两种。

4 结型场效应管

4.1 结型场效应管的工作原理

栅-源之间加负向电压（ $u_{GS}<0$ ），以保证耗尽层承受反向电压。

漏-源之间加正向电压 $u_{DS}$ ，以形成漏极电流 $i_D$ 。

$u_{GS}<0$ ，既保证了栅-源之间内阻很高的特点，又实现了 $u_{GS}$ 对沟道电流的控制。

我们常说，栅-源电压 $u_{GS}$ 和漏-源电压 $u_{DS}$ 对导电沟道是有影响的。(

（1）当 $u_{DS}=0V$ （即d、s短路时）， $u_{GS}$ 对导电沟道具有控制作用。此时 $u_{DS}=u_{GS}=0V$ ，耗尽层很窄，导电沟道却很宽。而随着 $\lvert u_{GS} \rvert$ 的增大，耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻变大，此之谓你方唱罢我登台。当 $\lvert u_{GS} \rvert$ 增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道就消失了，沟道电阻趋于无穷大，此时 $u_{GS}$ 的值就叫做夹断电压 $u_{GS(off)}$ 。

（2）当 $u_{GS}$ 为 $U_{GS(off)}\sim 0V$ 中某一固定值时， $u_{DS}$ 对漏极电流 $i_{D}$ 有影响。

（3）当 $u_{GD}<u_{GS(off)}$ 时， $u_{GS}$ 对 $i_{D}$ 表现出控制作用。

4.2 N沟道增强型MOS管结构

N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在Р型半导体上生成一层SiOz薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出两个电极，漏极D，和源极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。Р型半导体称为衬底，用符号B表示。因为这种MOS管在Vcs=0V时=0;只有当Us>Ucs(th)后才会出现漏极电流，所以称为增强型MOS管。

4.3 N沟道增强型MOS管的工作原理

（1）夹断区工作条件
Ucs=0时，D与S之间是两个PN结反向串联，没有导电沟道，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零;当0<Ucs <Ucs(uhs.由栅极指向衬底方向的电场使空穴向下移动，电子向上移动，在Р型硅衬底的上表面形成耗尽层，仍然没有漏极电流。

（2）可变电阻区工作条件
Ucs>Ucsth时，栅极下Р型半导体表面形成N型导电沟道(反型层)，若D、S间加上正向电压后可产生漏极电流石。若ups<1cs-Usth)，则沟道没夹断，对应不同的ucs，ds间等效成不同阻值的电阻，此时，FET相当于压控电阻。

（3）恒流区（或饱和区）工作条件
当uIps=lcs-Ucs奥ah时，沟道预夹断;若ups>ucS-UGs(h)，则沟道己夹断，ip仅仅决定于ucs，而与 ulps无关。此时，i,近似看成ucs控制的电流源，FET相当于压控流源。
可见，对于N沟道增强型MOS管，栅源电压Vcs对导电沟道有控制作用，即Ucs>Ucsct时，才能形成导电沟道将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流I。
当场效应管工作在恒流区时，利用栅一源之间外加电压ucs所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而控制多子漂移运动所产生的漏极电流I。此时，可将l看成电压ucs控制的电流源。

4.4 N沟道耗尽型MOSFET

N沟道耗尽型MOSFET是在栅极下方的SOz绝缘层中掺入了大量的金属正离子，所以当Ucs=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。如 P45图1.48所示。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当Uos>0时，将使进一步增加。Ucs<0时，随着Ues的减小漏极电流逐渐减小，直至I=0。对应石=0的Ucs称为夹断电压，用符号UGs(off）表示。

4.5 P沟道增强型和耗尽型MOSFET

Р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。

4.6 场效应管的伏安特性

场效应三极管的特性曲线类型比较多，根据导电沟道的不同以及是增强型还是耗尽型可有四种转移特性曲线和输出特性曲线，其电压和电流方向也有所不同。
以增强型N沟MOSFET为例，
输出特性: ip=f(ups)│ Us=-常数反映UGs>Ucsth)且固定为某一值时，Uos对I的影响;转移特性:iD一八ucs)l Ups=常数反映Ucs对漏极电流的控制关系;
输出特性和转移特性反映了场效应管工作的同一物理过程，因此，转移特性可以从输出特性上用作图法一一对应地求出。
场效应管的输出特性可分为四个区:夹断区、可变阻区、饱和区（或恒流区）和击穿区。在放大电路中，场效应管工作在饱和区。

4.7 场效应管的主要参数

（1）直流参数

①开启电压Uosuh):开启电压是MOS 增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值，场效应管
不能导通。

②夹断电压Uas(ofl):夹断电压是耗尽型FET的参数，当Ucs=Ucsom时，漏极电流为零。

③饱和漏极电流Ioss: Ioss是耗尽型FET的参数，当Uas-0时所对应的漏极电流。

④直流输入电阻Rgs Dc :FET的栅源输入电阻。对于JFET，反偏时Rcs约大于107Q;对于MOSFET,RGs约是109～10159。

（2）交流参数

①低频跨导gm:低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用十分相像。m可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。

②级间电容:FET的三个电极间均存在极间电容。通常Cs和Cga约为1~3pF,而Ca约为0.1~lpF。在高频电路中，应考虑极间电容的影响。

（3）极限参数

①最大漏极电流IDM:是FET正常工作时漏极电流的上限值。

②漏-源击穿电压UBR)Ds:FET进入恒流区后，使ip骤然增大的ups值称为漏—源击穿电压，uips超过此值会使管子烧坏。

③最大耗散功率PoM:可由PoM=VDsIo决定，与双极型三极管的Pcm相当。

4.8 场效应管FET与晶体管BJT的比较

FET是另一种半导体器件，在FET中只是多子参与导电，故称为单极型三极管﹔而普通三极管参与导电的既有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型三极管（BJT)。由于少数载流子的浓度易受温度影响，因此，在温度稳定性、低噪声等方面FET优于BJT。

BJT是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制输出电流的目的。因此，基极总有一定的电流，故BJT的输入电阻较低;FET 是电压控制器件，其输出电流取决于栅源间的电压，栅极几乎不取用电流，因此，FET的输入电阻很高，可以达到10～1 04Q。高输入电阻是FET的突出优点。

FET的漏极和源极可以互换使用，耗尽型MOS管的栅极电压可正可负，因而FET放大电路的构成比BJT放大电路灵活。

FET和BJT都可以用于放大或作可控开关。但FET还可以作为压控电阻使用，可以在微电流、低电压条件下工作，且便于集成。在大规模和超大规模集成电路中应用极为广泛。