【模电】结型场效应管
结型场效应管
- 结型场效应管的工作原理
- 结型场效应管的特性曲线
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- 输出特性曲线
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- 可变电阻区(也称非饱和区)
- 恒流区(也称饱和区)
- 夹断区
- 可转移特性
场效应管(FET)是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高达 1 0 7 {10^7} 107~ 1 0 12 {10^{12}} 1012Ω，噪音低、热稳定性好、抗辐射能力强，且比后者更省电，这些优点使之从20世纪60年代诞生起就广泛应用于各种电子电路之中。
结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型
下图是N沟道的实际结构图。
下图是N沟道和P沟道管的符号。
下图为N沟道结型场效应管的结构示意图。
图中，在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电机称为栅极g，N型半导体的两端分别引出两个电极，一个称为漏极d，一个称为源极s。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极与源极间的非耗尽层区域称为导电沟道。
结型场效应管的工作原理
为使N沟道结型场效应管能正常工作，应在其栅-源之间加负向电压(即 u G S ＜ 0 {\large u}{\tiny GS}＜0 uGS＜0)，以保证耗尽层承受反向电压；在漏-源之间加正向电压 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS，以形成漏极电流 i D {i}{\tiny D} iD。 u G S ＜ 0 {\large u}{\tiny GS}＜0 uGS＜0，既保证了栅-源之间内阻很高的特点，又实现了 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS对沟道电流的控制。
下面通过栅-源电压 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS和漏-源电压 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS对导电沟道的影响，来说明管子的工作原理。
1.当 u D S = 0 V {\large u}{\tiny DS}=0V uDS=0V(即d、s)短路时， u G S {\large u}{\tiny GS} uGS对导电沟道的控制作用
当 u D S = 0 V {\large u}{\tiny DS}=0V uDS=0V且 u G S = 0 V {\large u}{\tiny GS}=0V uGS=0V时，耗尽层很窄，导电沟道很宽，如下图所示。
当 ∣ u G S ∣ |{\large u}{\tiny GS}| ∣uGS∣增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，如下图所示。
沟道电阻增大。当 ∣ u G S ∣ |{\large u}{\tiny GS}| ∣uGS∣增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失如下图所示。
沟道电阻区域无穷大，称此时 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS的值为夹断电压 u G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GS(off)} uGS(off)。
2.当 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS为 U G S ( o f f ) {U}{\tiny GS(off)} UGS(off) ~ 0V中某一固定值时， u D S {\large u}{\tiny DS} uDS对漏极电流 i D {i}{\tiny D} iD的影响
当 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS为 U G S {U}{\tiny GS} UGS ~0V中某一确定值时，若 u D S = 0 V {\large u}{\tiny DS}=0V uDS=0V，则虽然存在由 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS所确定的一定宽度的导电沟道，但由于d - s间电压为零，多子不会产生定向移动，因而漏极电流 i D {i}{\tiny D} iD为零。
若 u D S ＞ 0 V {\large u}{\tiny DS}＞0V uDS＞0V，则有电流 i D {i}{\tiny D} iD从漏极流向源极，从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等，而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近栅极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽。换言之，靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄，如下图所示。
因为栅-漏电压 u G D = u G S − u D S {\large u}{\tiny GD}={\large u}{\tiny GS}-{\large u}{\tiny DS} uGD=uGS−uDS，所以当 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS从零逐渐增大时 u G D {\large u}{\tiny GD} uGD逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。但是，只要栅-漏间不出现夹断区域，沟道电阻仍将基本上决定于栅-源电压 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS，因此，电流 i D {i}{\tiny D} iD降随 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS的增大而线性增大，d-s呈现电阻特性。而一旦 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS的增大时 u G D {\large u}{\tiny GD} uGD等于 U G S ( o f f ) {U}{\tiny GS(off)} UGS(off)，则漏极一边的耗尽层就会出夹断区，见下图所示，称 u G D = U G S {\large u}{\tiny GD}={U}{\tiny GS} uGD=UGS预夹断。
若 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS继续增大，则 u G D ＜ U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)} uGD＜UGS(off)，耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸，即夹断区加长，见下图所示。
这时，一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻力加大(只能从夹断区的窄缝以较高速度通过)，从而导致 i D {i}{\tiny D} iD减小；另一方面，随着 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS的增大，使d - s间的纵向电场增强，也必然导致 i D {i}{\tiny D} iD增大。实际上，上述 i D {i}{\tiny D} iD的两种变化趋势相抵消， u D S {\large u}{\tiny DS} uDS的增大几乎全部降落在夹断区，用于克服夹断区对 i D {i}{\tiny D} iD形成的阻力。因此，从外部看，在 u G D ＜ U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)} uGD＜UGS(off)的情况下，当 u G D {\large u}{\tiny GD} uGD增大时 i D {i}{\tiny D} iD几乎不变，即 i D {i}{\tiny D} iD几乎仅仅决定于 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS，表现出 i D {i}{\tiny D} iD的恒流特性。
3.当 u G D ＜ U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)} uGD＜UGS(off)时， u G S {\large u}{\tiny GS} uGS对 i D {i}{\tiny D} iD的控制作用
在 u G D = u G S − u D S ＜ U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}={\large u}{\tiny GS}-{\large u}{\tiny DS}＜{U}{\tiny GS(off)} uGD=uGS−uDS＜UGS(off)，即 u D S ＞ = u G S − U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny DS}＞={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(off)} uDS＞=uGS−UGS(off)的情况下，当 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS为一常量时，对应于确定的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS，就有确定的 i D {i}{\tiny D} iD。此时，可以通过改变 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS来控制 i D {i}{\tiny D} iD的大小。由于漏极电流受栅-源电压的控制，故称场效应管为电压控制元件。与晶体管用 β ( = Δ i C Δ i B ) {\beta}(=\frac{\Delta i\tiny C}{\Delta {i\tiny B}}) β(=ΔiBΔiC)来描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作用相类似，场效应管用 g m g\tiny m gm来描述动态栅-源电压对漏极电流的控制作用， g m g\tiny m gm称为低频跨导
g m = Δ i D Δ u G S {g\tiny m}=\frac{\Delta i\tiny D}{\Delta {\large u}{\tiny GS}} gm=ΔuGSΔiD
由以上分析可知：
（1）在 u G D = u G S − u D S ＞ U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}={\large u}{\tiny GS}-{\large u}{\tiny DS}＞{U}{\tiny GS(off)} uGD=uGS−uDS＞UGS(off)的情况下，即当 u D S ＜ u G S − U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny DS}＜{\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(off)} uDS＜uGS−UGS(off)(即g - d间未出现夹断)时，对于不同的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS，d - s间等效成不同阻值的电阻。
当 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS使 u G D = U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}={U}{\tiny GS(off)} uGD=UGS(off)时，d - s之间预夹断。
当 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS使 u G D ＜ U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)} uGD＜UGS(off)时， i D {i}{\tiny D} iD几乎仅仅决定于 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS，而与 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS无关。此时可以把 i D {i}{\tiny D} iD近似看成 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS控制的电流源。
结型场效应管的特性曲线
输出特性曲线
输出特性曲线描述当栅-源电压 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS为常量时，漏极电流 i D {i}{\tiny D} iD与漏-源电压 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS之间的函数关系，即
i D = f ( u D S ) ∣ U G S = 常数 {i}{\tiny D}=f({\large u}{\tiny DS}){\huge{\mid_ {{\small U}{\tiny GS}{ \small =常数}}}} iD=f(uDS)∣UGS=常数
对应于一个 U G S {U}{\tiny GS} UGS，就有一条曲线，因此输出特性为一族曲线，如下图所示，场效应管有三个工作区域：可变电阻区(也称非饱和区)、恒流区(也称饱和区)、夹断区。
可变电阻区(也称非饱和区)
上图中的虚线为预夹断轨迹，它是各条曲线上使 u D S = u G S − U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny DS}={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(off)} uDS=uGS−UGS(off)(即 u G D = U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}={U}{\tiny GS(off)} uGD=UGS(off))的点连接而成的。 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS越大，预夹断时的 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS值也越大。预夹断轨道的左边区域称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS确定时，直线的斜率也唯一地被确定，直线斜率的倒数为d - s间等效电阻。因而在此区域中，可以通过改变 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS的大小(即压控的方式)来改变漏-源等效电阻的阻值，故称之为可变电阻区。
恒流区(也称饱和区)
上图中预夹断轨迹的右边区域为恒流区。当 u D S ＞ u G S − U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny DS}＞{\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(off)} uDS＞uGS−UGS(off)(即 u G D ＜ U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GD}＜{U}{\tiny GS(off)} uGD＜UGS(off))时，各曲线近似为一族横轴的平行线。当 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS增大时， i D {i}{\tiny D} iD仅略有增大。因而可将 i D {i}{\tiny D} iD近似为电压 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS控制的电流源，故称该区域为恒流区。利用场效应管作放大管时，应使其工作在该区域。
夹断区
当 u G S ＜ U G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GS}＜{U}{\tiny GS(off)} uGS＜UGS(off)时，导电沟道被夹断， i D {i}{\tiny D} iD≈0，即上图中靠近横轴的部分，称为夹断区，一般将使 i D {i}{\tiny D} iD等于某一个很小的电流(如5uA)时的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS定义为夹断电压 U G S ( o f f ) {U}{\tiny GS(off)} UGS(off)。
另外，当 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS增大到一定程度时，漏极电流会骤然增大，管子将被击穿。由于这种击穿是因栅-漏间耗尽层破坏而造成的，因而若栅-源击穿电压为 U B R ( G D ) {U}{\tiny BR(GD)} UBR(GD)，则漏-源击穿电压为 U B R ( D S ) = u G S − U B R ( G D ) {U}{\tiny BR(DS)}={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny BR(GD)} UBR(DS)=uGS−UBR(GD)，所以当 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS增大时，漏-源击穿电压将增大，如上图所示。
可转移特性
转移特性曲线描述当漏-源电压 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS为常量时，漏极电流 i D {i}{\tiny D} iD与栅-源电压 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS之间的函数关系，即
i D = f ( u G S ) ∣ U D S = 常数 {i}{\tiny D}=f({\large u}{\tiny GS}){\huge{\mid_ {{\small U}{\tiny DS}{ \small =常数}}}} iD=f(uGS)∣UDS=常数
当场效应管工作在恒流区时，由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行线，所以可以用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线，在输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线，读出垂线与各曲线交点的坐标值，建立 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS、 i D {i}{\tiny D} iD坐标系，连接各点所得曲线就是转移特性曲线，见下图所示。可见转移特性曲线有严格的对应关系。
根据半导体物理中对场效应管内部载流子的分析可以得到恒流区中 i D {i}{\tiny D} iD的近似表达式为
i D = I D S S ( 1 − u G S U G S ( o f f ) ) 2 ( U G S ( o f f ) ＜ u G S ＜ 0 ) {i}{\tiny D}={I\tiny DSS}{(1-\frac {{\large u}{\tiny GS}}{U\tiny GS(off)})}^2({U\tiny GS(off)}＜{{\large u}\tiny GS}＜0) iD=IDSS(1−UGS(off)uGS)2(UGS(off)＜uGS＜0)
式中 I D S S {I\tiny DSS} IDSS是 u G S = 0 {{\large u}\tiny GS}=0 uGS=0情况下产生预夹断时的 I D {I}{\tiny D} ID，称为饱和漏极电流。
当管子工作在可变电阻区时，对于不同的 U D S {U}{\tiny DS} UDS，转移特性曲线将有很大差别。
应当指出，为保证结型场效应管栅-源间的耗尽层加反向电压，对于N沟道管， u G S ≤ 0 V {{\large u}\tiny GS}≤0V uGS≤0V；对于P沟道管， u G S ≥ 0 V {{\large u}\tiny GS}≥0V uGS≥0V。