场效应管的工作原理

1. 场效应管的工作原理

Fffect Transistor的缩写,即为场效应晶体管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为

双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。FET应用范围很广,但不能说现在普及的双极

型晶体管都可以用FET替代。然而，由于FET的特性与双极型晶体管的特性完全不同，能构成技术性能非常好的电路。

2. 场效应管的特征

(a) JFET的概念图

(b) JFET的符号
图1  JFET的概念图、符号

图1(b)门极的箭头指向为p指向 n方向，分别表示内向为n沟道JFET，外向为p沟道JFET。
     图1（a）表示n沟道JFET的特性例。以此图为基础看看JFET的电气特性的特点。

首先，门极-源极间电压以0V时考虑（VGS =0）。在此状态下漏极-源极间电压VDS 从0V增加，漏电流ID几乎与VDS 成比例增加，将此区域称为非饱和区。VDS 达到某值以上漏电流ID 的变化变小，几乎达到一定值。此时的ID 称为饱和漏电流（有时也称漏电流用IDSS 表示。与此IDSS 对应的VDS 称为夹断电压VP ，此区域称为饱和区。
   其次在漏极-源极间加一定的电压VDS (例如0.8V)，VGS 值从0开始向负方向增加，ID 的值从IDSS 开始慢慢地减少，对某VGS 值ID =0。将此时的VGS 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压，用VGS (off)示。n沟道JFET的情况则VGS (off) 值带有负的符号,测量实际的JFET对应ID =0的VGS 因为很困难,在放大器使用的小信号JFET时,将达到ID =0.1-10μA 的VGS 定义为VGS (off) 的情况多些。 关于JFET为什么表示这样的特性，用图作以下简单的说明。

JFET的工作原理用一句话说，就是"漏极-源极间流经沟道的ID ，用以门极与沟道间的pn结形成的反偏的门极电压控制ID "。更正确地说，ID 流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。
    在VGS =0的非饱和区域，图10.4.1(a)表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流ID 流动。达到饱和区域如图10.4.2(a)所示，从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。
    在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。
    如图10.4.1(b)所示的那样，即便再增加VDS ，因漂移电场的强度几乎不变产生ID 的饱和现象。
    其次，如图10.4.2(c)所示，VGS 向负的方向变化，让VGS =VGS (off) ，此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS 的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。

3.场效应管的分类和结构:

    FET根据门极结构分为如下两大类。其结构如图3所示:

             面结型FET（简化为JFET）                 门极绝缘型FET(简化为MOS FET)

图3. FET的结构

各种结构的FET均有门极、源极、漏极3个端子，将这些与双极性晶体管的各端子对应如表1所示。

FET 双极性晶体管
漏极 集电极
门极 基极
源极 发射极

JFET是由漏极与源极间形成电流通道（channel）的p型或n型半导体，与门极形成pn结的结构。
另外，门极绝缘型FET是通道部分（Semicoductor）上形成薄的氧化膜（Oxide），并且在其上形成门极用金属薄膜（Metal）的结构。从制造门极结构材质按其字头顺序称为MOS FET。
根据JFET、MOS FET的通道部分的半导体是p型或是n型分别有p沟道元件，n沟道元件两种类型。
图3均为n沟道型结构图。

4.场效应管的传输特性和输出特性

 

图4 JFET的特性例(n沟道)

从图4所示的n沟道JFET的特性例来看，让VGS 有很小的变化就可控制ID 很大变化的情况是可以理解的。采用JFET设计放大器电路中，VGS 与ID 的关系即传输特性是最重要的，其次将就传输特性以怎样方式表示加以说明。

图5 传输特性

这个传输特性包括JFET本身的结构参数，例如沟道部分的杂质浓度和载体移动性，以致形状、尺寸等，作为很麻烦的解析结果可导出如下公式（公式的推导略去）

10.4.1

作为放大器的通常用法是VGS 、VGS (off) < 0（n沟道），VGS 、VGS (off) >0（p沟道）。式(10.4.1)用起来比较困难，多用近似的公式表示如下

将此式就VGS 改写则得下式

上(10.4.2)   下(10.4.3)

若说式(10.4.2)是作为JFET的解析结果推导出来的，不如说与实际的JFET的特性或者式(10.4.1)很一致的作为实验公式来考虑好些。图5表示式(10.4.1)、式(10.4.2)及实际的JFET的正规化传输特性，即以ID /IDSS为纵坐标，VGS /VGS (off) 为横坐标的传输特性。n沟道的JFET在VGS < 0的范围使用时，因VGS(off) < 0，VGS /VGS(off) >0，但在图5上考虑与实际的传输特性比较方便起见，将原点向左方向作为正方向。但在设计半导体电路时，需要使用方便且尽可能简单的近似式或实验式。
传输特性相当于双极性晶体管的VBE -IE特性，但VBE -IE 特性是与高频用、低频用、功率放大用等用途及品种无关几乎是同一的。与此相反，JFET时，例如即使同一品种IDSS、VGS(off)的数值有很大差异，传输特性按各产品也不同。