導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)知識圖解

導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。

根據(jù)三極管的原理開發(fā)出的新一代放大元件，有3個極性，柵極，漏極，源極，它的特點是柵極的內(nèi)阻極高，采用二氧化硅材料的可以達(dá)到幾百兆歐，屬于電壓控制型器件。

場效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor縮寫（FET））簡稱場效應(yīng)管。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。

特點

具有輸入電阻高（100000000～1000000000Ω）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。

作用

場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。

場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。

場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。場效應(yīng)管可以用作可變電阻。場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。

分類

場效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型（MOS）兩大類

按溝道材料：結(jié)型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種。

按導(dǎo)電方式：耗盡型與增強(qiáng)型，結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強(qiáng)型的。

場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管，而MOS場效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強(qiáng)型；P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類。

主要參數(shù)

IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中，柵極電壓UGS=0時的漏源電流。

Up—夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中，使漏源間剛截止時的柵極電壓。

Ut—開啟電壓。是指增強(qiáng)型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時的柵極電壓。

gM—跨導(dǎo)。是表示柵源電壓UGS—對漏極電流ID的控制能力，即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量場效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。

BVDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時，場效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數(shù)，加在場效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BVDS.

PDSM—最大耗散功率，也是一項極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應(yīng)管實際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。

IDSM—最大漏源電流。是一項極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。場效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過IDSM

Cds---漏-源電容

Cdu---漏-襯底電容

Cgd---柵-源電容

Cgs---漏-源電容

Ciss---柵短路共源輸入電容

COSS---柵短路共源輸出電容

CRSS---柵短路共源反向傳輸電容

D---占空比（占空系數(shù)，外電路參數(shù)）

di/dt---電流上升率（外電路參數(shù)）

dv/dt---電壓上升率（外電路參數(shù)）

ID---漏極電流（直流）

IDM---漏極脈沖電流

ID（on）---通態(tài)漏極電流

IDQ---靜態(tài)漏極電流（射頻功率管）

IDS---漏源電流

IDSM---最大漏源電流

IDSS---柵-源短路時，漏極電流

IDS（sat）---溝道飽和電流（漏源飽和電流）

IG---柵極電流（直流）

IGF---正向柵電流

IGR---反向柵電流

IGDO---源極開路時，截止柵電流

IGSO---漏極開路時，截止柵電流

IGM---柵極脈沖電流

IGP---柵極峰值電流

IF---二極管正向電流

IGSS---漏極短路時截止柵電流

IDSS1---對管第一管漏源飽和電流

IDSS2---對管第二管漏源飽和電流

Iu---襯底電流

Ipr---電流脈沖峰值（外電路參數(shù)）

gfs---正向跨導(dǎo)

Gp---功率增益

Gps---共源極中和高頻功率增益

gpg---共柵極中和高頻功率增益

GPD---共漏極中和高頻功率增益

ggd---柵漏電導(dǎo)

gds---漏源電導(dǎo)

K---失調(diào)電壓溫度系數(shù)

Ku---傳輸系數(shù)

L---負(fù)載電感（外電路參數(shù)）

LD---漏極電感

Ls---源極電感

rDS---漏源電阻

rDS（on）---漏源通態(tài)電阻

rDS（of）---漏源斷態(tài)電阻

rGD---柵漏電阻

rgs---柵源電阻

Rg---柵極外接電阻（外電路參數(shù)）

RL---負(fù)載電阻（外電路參數(shù)）

R（th）jc---結(jié)殼熱阻

R（th）ja---結(jié)環(huán)熱阻

PD---漏極耗散功率

PDM---漏極最大允許耗散功率

PIN--輸入功率

POUT---輸出功率

PPK---脈沖功率峰值（外電路參數(shù)）

to（on）---開通延遲時間

td（off）---關(guān)斷延遲時間

ti---上升時間

ton---開通時間

toff---關(guān)斷時間

tf---下降時間

trr---反向恢復(fù)時間

Tj---結(jié)溫

Tjm---最大允許結(jié)溫

Ta---環(huán)境溫度

Tc---管殼溫度

Tstg---貯成溫度

VDS---漏源電壓（直流）

VGS---柵源電壓（直流）

VGSF--正向柵源電壓（直流）

VGSR---反向柵源電壓（直流）

VDD---漏極（直流）電源電壓（外電路參數(shù)）

VGG---柵極（直流）電源電壓（外電路參數(shù)）

Vss---源極（直流）電源電壓（外電路參數(shù)）

VGS（th）---開啟電壓或閥電壓

V（BR）DSS---漏源擊穿電壓

V（BR）GSS---漏源短路時柵源擊穿電壓

VDS（on）---漏源通態(tài)電壓

VDS（sat）---漏源飽和電壓

VGD---柵漏電壓（直流）

VSU---源襯底電壓（直流）

VDU---漏襯底電壓（直流）

VGu---柵襯底電壓（直流）

Zo---驅(qū)動源內(nèi)阻

η---漏極效率（射頻功率管）

Vn---噪聲電壓

aID---漏極電流溫度系數(shù)

ards---漏源電阻溫度系數(shù)

結(jié)型場效應(yīng)管的管腳識別

判定柵極G:將萬用表撥至R×1k檔，用萬用表的負(fù)極任意接一電極，另一只表筆依次去接觸其余的兩個極，測其電阻。若兩次測得的電阻值近似相等，則負(fù)表筆所接觸的為柵極，另外兩電極為漏極和源極。漏極和源極互換，若兩次測出的電阻都很大，則為N溝道；若兩次測得的阻值都很小，則為P溝道。

判定源極S、漏極D:

在源-漏之間有一個PN結(jié)，因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻存在差異，可識別S極與D極。用交換表筆法測兩次電阻，其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，此時黑表筆的是S極，紅表筆接D極。

與晶體三極管的比較

場效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場效應(yīng)管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。

晶體三極管與場效應(yīng)管工作原理完全不同，但是各極可以近似對應(yīng)以便于理解和設(shè)計：

晶體管：基極發(fā)射極集電極

場效應(yīng)管：柵極源極漏極

要注意的是，晶體管（NPN型）設(shè)計發(fā)射極電位比基極電位低（約0.6V），場效應(yīng)管源極電位比柵極電位高（約0.4V）。

場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電，被稱之為雙極型器件。

有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比晶體管好。

場效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

工作原理

一、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理及特性場效應(yīng)管有結(jié)型和絕緣柵兩種結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)又有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電溝道。

1、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）

（1）結(jié)構(gòu)原理它的結(jié)構(gòu)及符號見圖1。在N型硅棒兩端引出漏極D和源極S兩個電極，又在硅棒的兩側(cè)各做一個P區(qū)，形成兩個PN結(jié)。在P區(qū)引出電極并連接起來，稱為柵極Go這樣就構(gòu)成了N型溝道的場效應(yīng)管。

圖1、N溝道結(jié)構(gòu)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號

由于PN結(jié)中的載流子已經(jīng)耗盡，故PN基本上是不導(dǎo)電的，形成了所謂耗盡區(qū)，從圖1中可見，當(dāng)漏極電源電壓ED一定時，如果柵極電壓越負(fù)，PN結(jié)交界面所形成的耗盡區(qū)就越厚，則漏、源極之間導(dǎo)電的溝道越窄，漏極電流ID就愈小；反之，如果柵極電壓沒有那么負(fù)，則溝道變寬，ID變大，所以用柵極電壓EG可以控制漏極電流ID的變化，就是說，場效應(yīng)管是電壓控制元件。

（2）特性曲線

1）轉(zhuǎn)移特性

圖2（a）給出了N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的柵壓---漏流特性曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，它和電子管的動態(tài)特性曲線非常相似，當(dāng)柵極電壓VGS=0時的漏源電流。用IDSS表示。VGS變負(fù)時，ID逐漸減小。ID接近于零的柵極電壓稱為夾斷電壓，用VP表示，在0≥VGS≥VP的區(qū)段內(nèi)，ID與VGS的關(guān)系可近似表示為：

ID=IDSS（1-|VGS/VP|）

其跨導(dǎo)gm為：gm=（△ID/△VGS）|VDS=常微（微歐）|

式中：△ID------漏極電流增量（微安）

------△VGS-----柵源電壓增量（伏）

圖2、結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線

2）漏極特性（輸出特性）

圖2（b）給出了場效應(yīng)管的漏極特性曲線，它和晶體三極管的輸出特性曲線很相似。

①可變電阻區(qū)（圖中I區(qū)）在I區(qū)里VDS比較小，溝通電阻隨柵壓VGS而改變，故稱為可變電阻區(qū)。當(dāng)柵壓一定時，溝通電阻為定值，ID隨VDS近似線性增大，當(dāng)VGS<VP時，漏源極間電阻很大（關(guān)斷）。IP=0；當(dāng)VGS=0時，漏源極間電阻很小（導(dǎo)通），ID=IDSS。這一特性使場效應(yīng)管具有開關(guān)作用。

②恒流區(qū)（區(qū)中II區(qū)）當(dāng)漏極電壓VDS繼續(xù)增大到VDS>|VP|時，漏極電流，IP達(dá)到了飽和值后基本保持不變，這一區(qū)稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)，在這里，對于不同的VGS漏極特性曲線近似平行線，即ID與VGS成線性關(guān)系，故又稱線性放大區(qū)。

③擊穿區(qū)（圖中Ⅲ區(qū)）如果VDS繼續(xù)增加，以至超過了PN結(jié)所能承受的電壓而被擊穿，漏極電流ID突然增大，若不加限制措施，管子就會燒壞。

2、絕緣柵場效應(yīng)管

它是由金屬、氧化物和半導(dǎo)體所組成，所以又稱為金屬---氧化物---半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管。

（1）結(jié)構(gòu)原理

它的結(jié)構(gòu)、電極及符號見圖3所示，以一塊P型薄硅片作為襯底，在它上面擴(kuò)散兩個高雜質(zhì)的N型區(qū)，作為源極S和漏極D。在硅片表覆蓋一層絕緣物，然后再用金屬鋁引出一個電極G（柵極）由于柵極與其它電極絕緣，所以稱為絕緣柵場面效應(yīng)管。

圖3、N溝道（耗盡型）絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及符號

在制造管子時，通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

場效應(yīng)管的式作方式有兩種：當(dāng)柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗散型，當(dāng)柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流的稱為增強(qiáng)型。

（2）特性曲線

1）轉(zhuǎn)移特性（柵壓----漏流特性）

圖4（a）給出了N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移行性曲線，圖中Vp為夾斷電壓（柵源截止電壓）；IDSS為飽和漏電流。

圖4（b）給出了N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效管的轉(zhuǎn)移特性曲線，圖中Vr為開啟電壓，當(dāng)柵極電壓超過VT時，漏極電流才開始顯著增加。

圖4、N溝道MOS場效管的轉(zhuǎn)移特性曲線

2）漏極特性（輸出特性）

圖5（a）給出了N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的輸出特性曲線。

圖5（b）為N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的輸出特性曲線。

圖5、N溝道MOS場效應(yīng)管的輸出特性曲線

此外還有N襯底P溝道（見圖1）的場效應(yīng)管，亦分為耗盡型號增強(qiáng)型兩種，

各種場效應(yīng)器件的分類，電壓符號和主要伏安特性（轉(zhuǎn)移特性、輸出特性）二、場效應(yīng)管的主要參數(shù)

1、夾斷電壓VP

當(dāng)VDS為某一固定數(shù)值，使IDS等于某一微小電流時，柵極上所加的偏壓VGS就是夾斷電壓VP。

2、飽和漏電流IDSS

在源、柵極短路條件下，漏源間所加的電壓大于VP時的漏極電流稱為IDSS。

3、擊穿電壓BVDS

表示漏、源極間所能承受的最大電壓，即漏極飽和電流開始上升進(jìn)入擊穿區(qū)時對應(yīng)的VDS。

4、直流輸入電阻RGS

在一定的柵源電壓下，柵、源之間的直流電阻，這一特性有以流過柵極的電流來表示，結(jié)型場效應(yīng)管的RGS可達(dá)1000000000歐而絕緣柵場效應(yīng)管的RGS可超過10000000000000歐。

5、低頻跨導(dǎo)gm

漏極電流的微變量與引起這個變化的柵源電壓微數(shù)變量之比，稱為跨導(dǎo)，即

gm=△ID/△VGS

它是衡量場效應(yīng)管柵源電壓對漏極電流控制能力的一個參數(shù)，也是衡量放大作用的重要參數(shù)，此參靈敏常以柵源電壓變化1伏時，漏極相應(yīng)變化多少微安（μA/V）或毫安（mA/V）來表示。

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)三極管的基本工作原理是靠半導(dǎo)體表面的電場效應(yīng)，在半導(dǎo)體中感生出導(dǎo)電溝道來進(jìn)行工作的。當(dāng)柵g電壓vg增大時，p型半導(dǎo)體表面的多數(shù)載流子棗空穴減少、耗盡，而電子積累到反型。當(dāng)表面達(dá)到反型時，電子積累層將在n+源區(qū)s和n+漏區(qū)d形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)vds≠0時，源漏電極有較大的電流ids流過。使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時所需加的柵源電壓稱為閾值電壓vt。當(dāng)vgs>vt并取不同數(shù)值時，反型層的導(dǎo)電能力將改變，在的vds下也將產(chǎn)生不同的ids,實現(xiàn)柵源電壓vgs對源漏電流ids的控制。

場效應(yīng)管（fet）是電場效應(yīng)控制電流大小的單極型半導(dǎo)體器件。在其輸入端基本不取電流或電流極小，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單等特點，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被應(yīng)用。

fet和雙極型三極管相類似，電極對應(yīng)關(guān)系是bg、es、cd；由fet組成的放大電路也和三極管放大電路相類似，三極管放大電路基極回路一個偏置電流（偏流），而fet放大電路的場效應(yīng)管柵極沒有電流，fet放大電路的柵極回路一個合適的偏置電壓（偏壓）。

fet組成的放大電路和三極管放大電路的主要區(qū)別：場效應(yīng)管是電壓控制型器件，靠柵源的電壓變化來控制漏極電流的變化，放大作用以跨導(dǎo)來；三極管是電流控制型器件，靠基極電流的變化來控制集電極電流的變化，放大作用由電流放大倍數(shù)來。

場效應(yīng)管放大電路分為共源、共漏、共柵極三種組態(tài)。在分析三種組態(tài)時，可與雙極型三極管的共射、共集、共基對照，體會二者間的相似與區(qū)別之處。

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