場效應管是較新型的半導體材料，利用電場效應來控制晶體管的電流，因而得名。它的外型也是一個三極管，因此又稱場效應三極管。它只有一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應三極管的結構來劃分，它有結型場效應三極管和絕緣柵型場效應三極管之分。

1.結型場效應三極管

(1) 結構

N溝道結型場效應三極管的結構如圖1所示，它是在N型半導體硅片的兩側各制造一個PN結，形成兩個PN結夾著一個N型溝道的結構。兩個P區即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。

  

圖1結型場效應三極管的結構

(2) 工作原理

以N溝道為例說明其工作原理。

當UGS=0時，在漏、源之間加有一定電壓時，在漏源間將形成多子的漂移運動，產生漏極電流。當UGS<0時，PN結反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小，UGS繼續減小，溝道繼續變窄，ID繼續減小直至為0。當漏極電流為零時所對應的柵源電壓UGS稱為夾斷電壓UGS(off)。

(3)特性曲線

結型場效應三極管的特性曲線有兩條，一是輸出特性曲線(ID=f(UDS)|UGS=常量),二是轉移特性曲線(ID=f(UGS)|UDS=常量)。N溝道結型場效應三極管的特性曲線如圖2所示。

 

(a) 漏極輸出特性曲線 　　　　　　　　　　　　(b) 轉移特性曲線

圖2N溝道結型場效應三極管的特性曲線

2. 絕緣柵場效應三極管的工作原理

絕緣柵場效應三極管分為：耗盡型 →N溝道、P溝道 　　增強型 →N溝道、P溝道

(1)N溝道耗盡型絕緣柵場效應管

N溝道耗盡型的結構和符號如圖3(a)所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當UGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當UGS>0時，將使ID進一步增加。UGS<0時，隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應ID=0的UGS稱為夾斷電壓，用符號UGS(off)表示，有時也用UP表示。N溝道耗盡型的轉移特性曲線如圖30(b)所示。

 

(a) 結構示意圖 　　　　　　　　　(b) 轉移特性曲線

圖3N溝道耗盡型絕緣柵場效應管結構和轉移特性曲線

(2)N溝道增強型絕緣柵場效應管

結構與耗盡型類似。但當UGS=0 V時，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。 當柵極加有電壓時，若0UGS(th)時，形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在UGS=0V時ID=0，只有當UGS>UGS(th)后才會出現漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。

N溝道增強型MOS管的轉移特性曲線，見圖4。

 

圖4轉移特性曲線

(3)P溝道MOS管

P溝道MOS管的工作原理與N溝道MOS管完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

3 主要參數

(1) 直流參數

指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS(off) 、增強型MOS管開啟電壓UGS(th)、耗盡型場效應三極管的飽和漏極電流IDSS(UGS=0時所對應的漏極電流)、輸入電阻RGS.

(2) 低頻跨導gm

gm可以在轉移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

(3) 最大漏極電流IDM

2 場效應半導體三極管

場效應半導體三極管是只有一種載流子參與導電的半導體器件，是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分，它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應三極管的結構來劃分，它有結型場效應三極管JFET(Junction type Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導體三極管MOSFET (Metal Oxide Semicon-ductor FET)。

2.2.1 絕緣柵場效應三極管的工作原理

絕緣柵場效應三極管(MOSFET)分為：

增強型 →N溝道、P溝道

耗盡型 →N溝道、P溝道

N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見圖02.13。 電極D(Drain)稱為漏極，相當雙極型三極管的集電極;

G(Gate)稱為柵極，相當于的基極;

S(Source)稱為源極，相當于發射極。

(1)N溝道增強型MOSFET

① 結構

根據圖02.13，N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區，從N型區引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底，用符號B表示。

 

圖02.13 N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號

② 工作原理

1.柵源電壓VGS的控制作用

當VGS=0 V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。

當柵極加有電壓時，若0

進一步增加VGS，當VGS>VGS(th)時( VGS(th) 稱為開啟電壓)，由于此時的柵極電壓已經比較強，在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續增加，ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0，只有當VGS>VGS(th)后才會出現漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。

VGS對漏極電流的控制關系可用iD=f(vGS)?VDS=const這一曲線描述，稱為轉移特性曲線，見圖02.14。

 

圖02.14 轉移特性曲線

轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導。

跨導的定義式如下：

 

2.漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用

當VGS>VGS(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖02.15所示。根據此圖可以有如下關系

 

當VDS為0或較小時，相當VGD>VGS(th)，溝道分布如圖02.15(a)，此時VDS 基本均勻降落在溝道中，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。

當VDS增加到使VGD=VGS(th)時，溝道如圖02.15(b)所示。這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預夾斷，此時的漏極電流ID基本飽和。當VDS增加到VGD?VGS(th)時，溝道如圖02.15(c)所示。此時預夾斷區域加長，伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。

  

圖02.15 漏源電壓VDS對溝道的影響(動畫2-5)

當VGS>VGS(th)，且固定為某一值時，VDS對ID的影響，即iD=f(vDS)?VGS=const這一關系曲線如圖02.16所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。

 

(a) 輸出特性曲線 (b)轉移特性曲線

圖02.16 漏極輸出特性曲線和轉移特性曲線

(2)N溝道耗盡型MOSFET

N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖02.17(a)所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當VGS>0時，將使ID進一步增加。VGS<0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線如圖02.17(b)所示。

 

(a) 結構示意圖 (b) 轉移特性曲線

圖02.17 N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線

(3)P溝道耗盡型MOSFET

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

4.2.2 伏安特性曲線

場效應三極管的特性曲線類型比較多，根據導電溝道的不同以及是增強型還是耗盡型可有四種轉移特性曲線和輸出特性曲線，其電壓和電流方向也有所不同。如果按統一規定的正方向，特性曲線就要畫在不同的象限。為了便于繪制，將P溝道管子的正方向反過來設定。有關曲線繪于圖02.18之中。

 

圖02.18 各類場效應三極管的特性曲線

4.2.3 結型場效應三極管

(1) 結型場效應三極管的結構

結型場效應三極管的結構與絕緣柵場效應三極管相似，工作機理也相同。結型場效應三極管的結構如圖02.19所示，它是在N型半導體硅片的兩側各制造一個PN結，形成兩個PN結夾著一個N型溝道的結構。兩個P區即為柵極，N型硅的一端是漏極，另一端是源極。

 

圖02.19 結型場效應三極管的結構

(2) 結型場效應三極管的工作原理

根據結型場效應三極管的結構，因它沒有絕緣層，只能工作在反偏的條件下，對于N溝道結型場效應三極管只能工作在負柵壓區，P溝道的只能工作在正柵壓區，否則將會出現柵流。現以N溝道為例說明其工作原理。

① 柵源電壓對溝道的控制作用

當VGS=0時，在漏、源之間加有一定電壓時，在漏源間將形成多子的漂移運動，產生漏極電流。當VGS<0時，PN結反偏，形成耗盡層，漏源間的溝道將變窄，ID將減小，VGS繼續減小，溝道繼續變窄，ID繼續減小直至為0。當漏極電流為零時所對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。

② 漏源電壓對溝道的控制作用

在柵極加有一定的電壓，且VGS>VGS(off)，若漏源電壓VDS從零開始增加，則VGD=VGS-VDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬，溝道變窄，從左至右呈楔形分布，如圖02.21(a)所示。當VDS增加到使VGD=VGS—VDS=VGS(off)時，在緊靠漏極處出現預夾斷，如圖02.21(b)所示。當VDS繼續增加，漏極處的夾斷繼續向源極方向生長延長。以上過程與絕緣柵場效應三極管的十分相似。

(3) 結型場效應三極管的特性曲線

結型場效應三極管的特性曲線有兩條，一是轉移特性曲線，二是輸出特性曲線。它與絕緣柵場效應三極管的特性曲線基本相同，只不過絕緣柵場效應管的柵壓可正、可負，而結型場效應三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負。N溝道結型場效應三極管的特性曲線如圖02.22所示。

 

(a) 漏極輸出特性曲線(動畫2-6) (b) 轉移特性曲線(動畫2-7)

圖02.22 N溝道結型場效應三極管的特性曲線

4.2.4 場效應三極管的參數和型號

(1) 場效應三極管的參數

① 開啟電壓VGS(th) (或VT)

開啟電壓是MOS增強型管的參數，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值，場效應管不能導通。

② 夾斷電壓VGS(off) (或VP)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數，當VGS=VGS(off) 時，漏極電流為零。

③ 飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應三極管，當VGS=0時所對應的漏極電流。

④ 輸入電阻RGS

場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結型場效應三極管，反偏時RGS約大于107Ω，對于絕緣柵場型效應三極管，RGS約是109～1015Ω。

⑤ 低頻跨導gm

低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用，這一點與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

⑥ 最大漏極功耗PDM

最大漏極功耗可由PDM= VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當。

(2) 場效應三極管的型號

場效應三極管的型號，現行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結型場效應管，O代表絕緣柵場效應管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型層是N溝道;C是N型硅P溝道。例如，3DJ6D是結型N溝道場效應三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應三極管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場效應管，××以數字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規格。例如，CS14A、CS45G等。

4.2.5 雙極型和場效應型三極管的比較