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場效應管
場效應管
場效應管
    場效應管（Fjeld Effect Transistor簡稱FET）是利用電場效應來控制半導體中電流的一種半導體器件，故因此而得名。場效應管是一種電壓控制器件，只依靠一種載流子參與導電，故又稱為單極型晶體管。與雙極型晶體三極管相比，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、抗輻射能力強、功耗小、制造工藝簡單和便于集成化等優點。
    場效應管有兩大類，結型場效應管JFET和絕緣柵型場效應管IGFET，后者性能更為優越，發展迅速，應用廣泛。圖Z0121為場效應管的類型及圖形、符號。
    一、結構與分類
    圖 Z0122為N溝道結型場效應管結構示意圖和它的圖形、符號。它是在同一塊N型硅片的兩側分別制作摻雜濃度較高的P型區（用P+表示），形成兩個對稱的PN結，將兩個P區的引出線連在一起作為一個電極，稱為柵極（g），在N型硅片兩端各引出一個電極，分別稱為源極（s）和漏極（d）。在形成PN結過程中，由于P+區是重摻雜區，所以N一區側的空間電荷層寬度遠大
    二、工作原理
    N溝道和P溝道結型場效應管的工作原理完全相同，只是偏置電壓的極性和載流子的類型不同而已。下面以N溝道結型場效應管為例來分析其工作原理。電路如圖Z0123所示。由于柵源間加反向電壓，所以兩側PN結均處于反向偏置，柵源電流幾乎為零。漏源之間加正向電壓使N型半導體中的多數載流子-電子由源極出發，經過溝道到達漏極形成漏極電流ID。
    1．柵源電壓UGS對導電溝道的影響（設UDS＝0）
在圖Z0123所示電路中，UGS ＜0，兩個PN結處于反向偏置，耗盡層有一定寬度，ID=0。若|UGS| 增大，耗盡層變寬，溝道被壓縮，截面積減小，溝道電阻增大；若|UGS| 減小，耗盡層變窄，溝道變寬，電阻減小。這表明UGS控制著漏源之間的導電溝道。當UGS負值增加到某一數值VP時，兩邊耗盡層合攏，整個溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱為夾斷電壓）此時，漏源之間的電阻趨于無窮大。管子處于截止狀態，ID＝0。
    2．漏源電壓UGS對漏極電流ID的影響（設UGS＝0）
當UGS＝0時，顯然ID＝0；當UDS＞0且尚小對，P+N結因加反向電壓，使耗盡層具有一定寬度，但寬度上下不均勻，這是由于漏源之間的導電溝道具有一定電阻，因而漏源電壓UDS沿溝道遞降，造成漏端電位高于源端電位，使近漏端PN結上的反向偏壓大于近源端，因而近漏端耗盡層寬度大于近源端。顯然，在UDS較小時，溝道呈現一定電阻，ID隨UDS成線性規律變化（如圖Z0124曲線OA段）；若UGS再繼續增大，耗盡層也隨之增寬，導電溝道相應變窄，尤其是近漏端更加明顯。由于溝道電阻的增大，ID增長變慢了（如圖曲線AB段），當UDS增大到等于|VP|時，溝道在近漏端首先發生耗盡層相碰的現象。這種狀態稱為預夾斷。這時管子并不截止，因為漏源兩極間的場強已足夠大，完全可以把向漏極漂移的全部電子吸引過去形成漏極飽和電流IDSS （這種情況如曲線B點）：當UDS＞|VP|再增加時，耗盡層從近漏端開始沿溝道加長它的接觸部分，形成夾斷區 。由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，所以比|VP|大的那部分電壓基本上降在夾斷區上，使夾斷區形成很強的電場，它完全可以把溝道中向漏極漂移的電子拉向漏極，形成漏極電流。因為未被夾斷的溝道上的電壓基本保持不變，于是向漏極方向漂移的電子也基本保持不變，管子呈恒流特性（如曲線BC段）。但是，如果再增加UDS達到BUDS時（BUDS稱為擊穿電壓）進入夾斷區的電子將被強電場加速而獲得很大的動能，這些電子和夾斷區內的原子碰撞發生鏈鎖反應，產生大量的新生載流予，使ID急劇增加而出現擊穿現象（如曲線CD段）。
    由此可見，結型場效應管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。這種電壓的控制作用，是場效應管具有放大作用的基礎。
    三、特性曲線
    1．輸出特性曲線
    輸出特性曲線是柵源電壓UGS取不同定值時，漏極電流ID 隨漏源電壓UDS 變化的一簇關系曲線，如圖Z0124所示。由圖可知，各條曲線有共同的變化規律。UGS越負，曲線越向下移動）這是因為對于相同的UDS，UGS越負，耗盡層越寬，導電溝道越窄，ID越小。
    由圖還可看出，輸出特性可分為三個區域即可變電阻區、恒流區和擊穿區。"
    ◆可變電阻區：預夾斷以前的區域。其特點是，當0＜UDS＜|VP|時，ID幾乎與UDS呈線性關系增長，UGS愈負，曲線上升斜率愈小。在此區域內，場效應管等效為一個受UGS控制的可變電阻。
    ◆恒流區：圖中兩條虛線之間的部分。其特點是，當UDS＞|VP|時，ID幾乎不隨UDS變化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，兩者變量之間近乎成線性關系，所以該區域又稱線性放大區。
    ◆擊穿區：右側虛線以右之區域。此區域內UDS＞BUDS，管子被擊穿，ID隨UDS的增加而急劇增加。
    2．轉移特性曲線
    當UDS一定時，ID與UGS之間的關系曲線稱為轉移特性曲線。實驗表明，當UDS＞|VP|后，即恒流區內，ID 受UDS影響甚小，所以轉移特性通常只畫一條。在工程計算中，與恒流區相對應的轉移特性可以近似地用下式表示：
      
式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS＝0時的漏極飽和電流。