場效應(yīng)管概述
場效應(yīng)管原理詳解，場效應(yīng)晶體管簡稱場效應(yīng)管。主要有兩種類型：結(jié)型場效應(yīng)管（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（metal-oxide semiconductor FET，簡稱MOS-FET）。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。
具有輸入電阻高（107～1015Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)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(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。
場效應(yīng)管的特點(diǎn)
與雙極型晶體管相比，場效應(yīng)管具有如下特點(diǎn)。
（1）場效應(yīng)管是電壓控制器件，它通過VGS(柵源電壓)來控制ID（漏極電流）；
（2）場效應(yīng)管的控制輸入端電流極小，因此它的輸入電阻（107～1012Ω）很大。
（3）它是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此它的溫度穩(wěn)定性較好；
（4）它組成的放大電路的電壓放大系數(shù)要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數(shù)；
（5）場效應(yīng)管的抗輻射能力強(qiáng)；
（6）由于它不存在雜亂運(yùn)動(dòng)的電子擴(kuò)散引起的散粒噪聲，所以噪聲低。
場效應(yīng)管原理及基本結(jié)構(gòu)
下面詳解場效應(yīng)管原理。場效應(yīng)管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，屬于絕緣柵型。本文就結(jié)構(gòu)構(gòu)造、特點(diǎn)、實(shí)用電路等幾個(gè)方面用工程師的話簡單描述。其結(jié)構(gòu)示意圖：
MOS場效應(yīng)三極管分為：增強(qiáng)型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見上圖。其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；
電極 G（Gate） 稱為柵極，相當(dāng)于的基極；
電極 S（Source）稱為源極，相當(dāng)于發(fā)射極。
N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)
場效應(yīng)管原理與結(jié)構(gòu)，在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。
圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。
N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的工作原理
場效應(yīng)管原理-N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管原理如下：
（1）vGS對(duì)iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情況
從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時(shí)，即使加上漏——源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD≈0。
② vGS>0 的情況
若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場。電場方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場。這個(gè)電場能排斥空穴而吸引電子。
排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。
（2）導(dǎo)電溝道的形成：
當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏——源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。
開始形成溝道時(shí)的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。
上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGS≥VT時(shí)，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。溝道形成以后，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。
vDS對(duì)iD的影響
如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一確定值時(shí)，漏——源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。
漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS－vDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較小（vDS）
隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時(shí)，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。
N溝道耗盡型場效應(yīng)管原理與基本結(jié)構(gòu)
（1）結(jié)構(gòu)：
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。
（2）區(qū)別：
耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。
（3）原因：
制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時(shí)，在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下，漏——源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。
如果加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。
P溝道耗盡型場效應(yīng)管原理
P溝道場效應(yīng)管原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
場效應(yīng)管的作用
1.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。
2.很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。
3.可以用作可變電阻。
4.可以方便地用作恒流源。
5.可以用作電子開關(guān)。
6.在電路設(shè)計(jì)上的靈活性大。柵偏壓可正可負(fù)可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負(fù)偏壓下工作。另外輸入阻抗高，可以減輕信號(hào)源負(fù)載，易于跟前級(jí)匹配。
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