1. 场效应管基础知识

264 人赞同了该文章

1.1. 场效应管介绍¶

场效应管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。场效应管又是单极型晶体管，即导电过程中几乎只有一种载流子运动，类似金属导电。

场效应管与双极型晶体管比，它的体积小，重量轻，寿命长等优点，而且输入回路的内阻特别高，噪声低、热稳定性好（因为几乎只利用多子导电）、防辐射能力强以及省电等优点，几乎场效应管占据的绝大部分市场。有利就有弊，而场效应管的放大倍数要小于双极型晶体管的放大倍数（原因后续详解）。

根据制作主要工艺主要分为结型场效应管(Junction Field Effect Transistor，JFET)和绝缘栅型场效应管(MOS管)，下面来具体来看这两种管子。

1.2. 结型场效应管¶

JEFT如下图结构：

Image

JEFT有N沟道和P沟道的管子。我们以N沟道JEFT为例，在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极成为栅极g，N型半导体分别引出两个电极，一个称为漏极d，一个称为源极s。P区域N区交界面形成耗尽层，d极与s极间的非耗尽层称为导电沟道。如下图所示：

Image

我们可以根据制作工艺来看，JEFT管子几乎是对称的，因此可以把s极当成d极用，d极当成s极用，用反以后特性曲线基本没怎么变化。这点与三极管差异很大（三极管一般是不能反着用的）。

场效应管的s，g，d极对应了三极管的e，b，c极。

1.2.1. 工作原理¶

在JEFT中我们控制的是中间的导电沟道宽度，因此应该在gs极之间加上负电压 $u_{G S}$ 。使导电沟道宽度慢慢降低，直到耗尽层占满整个导电沟道。随着 $u_{G S}$ 加大效果图如下图所示：

Image

** $u_{G S}$ 可以控制导电沟道的宽度。为什么g-s必须加负电压？**加正向电压也是可以控制导电沟道宽度的，但引入场效应管我们是要从输入回路看几乎不取电流，因此PN结加反向电压，呈现出很大的电阻。

为了让导电沟道里的电子定向移动，则需要在ds极之间加上正向电压 $u_{D S}$ ，从而形成了d极电流 $i_{D}$ ，我们来看随着 $u_{D S}$ 加大效果图如下图所示：

Image

当 $u_{G S}$ 一定时，当 $u_{D S}$ 的一定时，由于 $u_{D}$ 的点位是最高的，针对N型半导体而言，从上到下，随着位置下降，所对应位置的电位降低，知道降低到 $u_{S}$ 。因此，在N型半导体里从上到下，随着对应点F位置下降，则 $u_{F G}$ 的值也下降，直到降到 $u_{S G}$ 的值。因此沟道的形状出现上述左图形式——远离d极的沟道宽，靠近d极的沟道窄。

因此随着 $u_{D S}$ 增大会出现预夹断。在夹断之前，随着 $u_{D S}$ 的增大， $i_{D}$ 也增大。这是因为 $u_{D S}$ 增大，ds极之间的电场也随着加大，从而给里面的电子已足够的能量使得他们成流。所以 $u_{D S}$ 加大，电流将会越来越大。

夹断以后，随着 $u_{D S}$ 增大，则夹断的区域沿着沟道方向将会越来越长。现在出现矛盾：

$u_{D S}$ 加大可以使电流增大

夹断区沿着沟道方向越来越长，这对电流形成造成阻力。因此电子需要比较高的速度才能通过夹断区。也就是这时形成电流要更多能量，即 $u_{D S}$ 增大使电流变小

因此在夹断以后达到一种平衡——， $u_{D S}$ 的增大几乎全部用来克服夹断增长的沟道阻力。于是可以看到 $u_{D S}$ 增大到一定程度后， $i_{D}$ 几乎不变。此时 $i_{D}$ 仅仅取决于 $u_{G S}$

场效应管：当进入恒流区以后可以等效为电压控制电流源；而三极管在放大区：电流控制的电流源。

1.2.2. 特性曲线¶

1.2.2.1. 转移特性曲线¶

转移特性曲线如下图所示：

Image

在工作的时候不能超过漏极饱和电流，超过此电流，难以保证栅源之间的电阻很大特点。这是因为这里需要 $u_{G S} > 0$ 。而上述工作在恒流区转移特性方程是通过半导体物理知识得到的。

**场效应管和三极管的转移特性方程相比，一个是指数方程，另外一个是幂方程，从而说明了为什么三极管的放大倍数比场效应管放大倍数高的原因。**于是要提高场效应管的放大倍数，则工作点要高一点。

1.2.2.2. 输出特性曲线¶

输出特性曲线入下图所示：

Image

从图中我们可以看出场效应管的工作状态有：截止区、可变电阻区、恒流区。

截止区： $u_{G S} < U_{G S \left(\right. o f f \left.\right)}$

可变电阻区： $u_{D S} <= u_{G S} - U_{G S \left(\right. o f f \left.\right)}$ 。s极之间可以当做可控电阻来用(u_{GS}来控制电阻大小)，使用前提就是 $u_{D S}$ 要小。

恒流区： $u_{D S} > u_{G S} - U_{G S \left(\right. o f f \left.\right)}$ 。 $I_{D}$ 的大小仅取决于 $u_{G S}$ 的大小。

当 $u_{D S}$ 大到一定程度，漏极电流会骤然增大，管子被击穿。这是由于g-d间的耗尽层破坏而造成的

在场效应管中，与三极管参数 $\beta = \frac{\Delta i_{C}}{\Delta i_{B}}$ 类似的参数，低频跨导 $g_{m} = \frac{\Delta i_{D}}{\Delta u_{G S}}$

1.3. 绝缘栅型场效应管¶

绝缘栅型场效应管的g极与s极，g极与d极之间均采用 $S i O_{2}$ 绝缘层隔离而得名，又栅极为金属铝，固又被称为MOS管。正是由于gs间用 $S i O_{2}$ 来隔离，因此gs之间的电阻是非常大的。而且MOS管比结型场效应管温度稳定性好，集成化时工艺简单，因此用途更广泛。

MOS管也有N沟道和P沟道，每种又分为增强型和耗尽型。

1.3.1. 增强型MOS管¶

增强型MOS如下图所示：

Image

其中MOS管符号里虚线表示要形成沟道。我们来看N沟道增强型MOS管的制作工艺：它以一块掺杂P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N区，并引出两个电极分别为：s极、d极。半导体上制作一层 $S i O_{2}$ 绝缘层，再在 $S i O_{2}$ 绝缘层上制作一层金属铝，引出电极g极。而衬底引出一极叫衬极，即b极。通常b极和s极连接在一起。

b极和g极可以看成是一个极板，而中间 $S i O_{2}$ 是绝缘层，故形成电容。当gb电压发变化时，将会改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小

1.3.1.1. 工作原理¶

我们考虑b极与s极接在一起（当然使用中b极也可以接在s极上）。由于gb之间是一个电容，当给gb施加电压时，g极金属层聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 $S i O_{2}$ 一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成了一个N型薄面，被称为反形层，如下图所示：

Image

这个反型层就构成了gs之间的导电沟道，使沟道刚形成的gs间的电压称为开启电压 $U_{G S \left(\right. t h \left.\right)}$ 。 $u_{G S}$ 越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。

现在有了导电沟道，但里面的电子如何运动需要外加电场来控制。因此：当 $u_{G S}$ 大于开启电压且一定的时候。 $u_{D S}$ 施加正向电压时将会产生漏极电流，

$u_{D S}$ 从0增大的时候，随着 $u_{D S}$ 增大， $i_{D}$ 也增大，而且沟道沿着s-d方向逐渐变窄

$u_{D S}$ 大到一定程度。 $u_{D s} = u_{G S} - U_{G S \left(\right. t h \left.\right)}$ ，沟道在d极一侧出现了夹断点

若 $u_{D S}$ 再继续增大，夹断去也随之增长。在这里 $u_{D S}$ 增大的部分几乎全部用于克服夹断区增长的部分对漏极电流的阻力。从外部看 $i_{D}$ 几乎不变

变化如下图所示：

Image

1.3.1.2. 输入特性曲线和输出特性曲线¶

N沟道增强型MOS的输入和输出特性曲线如下图所示：

Image

它的特性曲线和结型场效应管很类似，工作状态也有：截止区，可变电阻区，恒流区

截止区：

可变电阻区：

恒流区：

1.3.2. 耗尽型MOS管¶

在制造MOS管时，在绝缘层中掺入大量的正离子，则在的情况下，在正离子作用下P型衬底靠近绝缘层的表层也存在反型层，即d-s之间存在着导电沟道，可以产生漏极电流。如下图所示

Image

从它的结构我们可以看出：

为正时，反形层变宽，导电沟道电阻变小

为负时，反形层变窄，导电沟道电阻变大。减小到一定程度反形层消失，从而导电沟道也消失

这说明了耗尽型MOS管在时均可导通，且与结型场效应管不同，由于绝缘层的存在，在时仍保持g-s间电阻非常大的特点。

1.3.2.1. 输入特性曲线和输出特性曲线¶

输入特性曲线如下图所示

Image

曲线特性和N沟道增强型MOS曲线很类似。

1.3.3. MOS管总结¶

若果MOS管衬底不与源极相连。若保证管子工作在特定的区域，则衬-源之间的必须保证PN结处于合适的偏置。

对于MOS管，gb之间的电容很小，只要有很少量的感应电荷就可以产生很高的电压。而又由于很大，感应电荷难于释放，以至于感应电荷所产生的高压会使很薄的绝缘层击穿，造成管子的损坏。因此，无论是在存放还是在工作电路中都应该在gb之间提供直流通路，避免栅极悬空。

1.4. 场效应管参数¶

1.4.1. 直流参数¶

开启电压——增强型MOS管参数：此电压是使大于0所需的最小值。而手册里是为规定的特定微小电流时的

夹断电压——结型和耗尽型管子参数：手册里是为规定的特定微小电流时的

饱和漏极电流：时产生的预先夹断时的漏极电流

直流输入电阻：此值等于栅源电压与栅极电流之比。

1.4.2. 交流参数¶

低频跨导

极间电容：场效应管三个极间均存在极间电容。在高频电路中应考虑电容的影响。管子的最高工作频率综合考虑三个电容的影响

1.4.3. 极限参数¶

最大漏极电流：管子正常工作时漏极电流的上限值

击穿电压：使骤然增大的的电压，超过此值会使管子损坏

最大耗散功率：它决定了管子允许的温升。它确定后便可在管子的输出特性曲线画出临界最大功耗，再根据和便可得到安全工作区

1.5. 总结¶

下图给出了6中场效应的的符号以及输入特性曲线和输出特性曲线：

Image

1.6. 场效应管与晶体管的比较¶

场效应管g极基本不取电流（输入电阻高），而三极管b极总要索取一定的电流（信号源提供电流）

场效应管只有多子参与导电，而三极管既有多子又有少子参与导电，而少子手温度、辐射等因素较大。

场效应管噪声系数小。故低噪声放大器输入级一般使用场效应管

场效应管d、s极可以互换会用，互换后特性变化不大。而三极管e、c极互换后特性差异很大，因此只有特殊需要时才互换

场效应管集成工艺更简单，且具有更省电、工作电源电压范围宽等，场效应管使用更加广泛。