解析场效应管原理图与作用-特点结构大全

场效应管概述

场效应管原理详解，场效应晶体管简称场效应管。主要有两种类型：结型场效应管（junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导体场效应管（metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET）。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。

具有输入电阻高（107～1015Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

场效应管的特点

与双极型晶体管相比，场效应管具有如下特点。

（1）场效应管是电压控制器件，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏极电流）；

（2）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻（107～1012Ω）很大。

（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；

（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；

（5）场效应管的抗辐射能力强；

（6）由于它不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。

场效应管原理及基本结构

下面详解场效应管原理。场效应管，是金属-氧化物-半导体型场效应管，属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。其结构示意图：

MOS场效应三极管分为：增强型（又有N沟道、P沟道之分）及耗尽型（分有N沟道、P沟道）。N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见上图。其中：电极 D（Drain） 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；

电极 G（Gate） 称为栅极，相当于的基极；

电极 S（Source）称为源极，相当于发射极。

N沟道增强型MOS场效应管结构

场效应管原理与结构，在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。

N沟道增强型场效应管的工作原理

场效应管原理-N沟道增强型场效应管原理如下：

（1）vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。

排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。

（2）导电沟道的形成：

当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏——源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏——源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。

开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示。

上面讨论的N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏——源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。

vDS对iD的影响

如图(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。

漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS）

随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。

N沟道耗尽型场效应管原理与基本结构

（1）结构：

N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。

（2）区别：

耗尽型MOS管在vGS=0时，漏——源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。

（3）原因：

制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。

如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅－源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。

P沟道耗尽型场效应管原理

P沟道场效应管原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

场效应管的作用

1.可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。

2.很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

3.可以用作可变电阻。

4.可以方便地用作恒流源。

5.可以用作电子开关。

6.在电路设计上的灵活性大。栅偏压可正可负可零，三极管只能在正向偏置下工作，电子管只能在负偏压下工作。另外输入阻抗高，可以减轻信号源负载，易于跟前级匹配。

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