原创 场效应管的结构、特性与参数

场效应管的结构、特性与参数

一、绝缘栅场效应管(IGFET)

1.增强型NMOS管

s：Source 源极，d：Drain 漏极，g：Gate 栅极，B：Base 衬底，在P型衬底扩散上2个N 区，P型表面加SiO2绝缘层，在N 区加铝线引出电极。

2.增强型PMOS管

在N型衬底上扩散上2个P 区，P型表面加SiO2绝缘层，在二个P 区加铝线引出电极。PMOS与NMOS管的工作原理完全相同，只是电流和电压方向不同。

3.增强型NMOS管的工作原理

正常工作时外加电源电压的配置：

(1)VGS=0, VDS=0：漏源间是两个背靠背串联的PN结，所以d-s间不可能有电流流过，即iD≈0。

(2)当VGS＞0，VDS=0时：d-s之间便开始形成导电沟道。 开始形成导电沟道所需的最小电压称为开启电压VGS(th)(习惯上常表示为VT)。

沟道形成过程作如下解释：此时，在栅极与衬底之间产生一个垂直电场(方向为由栅极指向衬底)，它使漏-源之间的P型硅表面感应出电子层(反型层)使两个N 区沟通，形成N型导电沟道。如果，此时再加上VDS电压，将会产生漏极电流iD。当VGS＝0时没有导电沟道，而当VGS 增强到＞VT时才形成沟道，所以称为增强型MOS管。并且VGS越大，感应电子层越厚，导电沟道越厚，等效沟道电阻越小，iD越大。

(3)当VGS>VT，VDS>0后， 漏-源电压VDS产生横向电场：由于沟道电阻的存在，iD沿沟道方向所产生的电压降使沟道上的电场产生不均匀分布。近s端电压差较高，为VGS；近d端电压差较低，为VGD＝VGS-VDS，所以沟道的形状呈楔形分布。

1)当VDS较小时：VDS对导电沟道的影响不大，沟道主要受VGS控制， 所以VGS为定值时，沟道电阻保持不变，iD随VDS 增加而线性增加。此时，栅漏间的电压大于开启电压，沟道尚未夹断，。

2)当VDS增加到VGS-VDS＝VT时(即VDS＝VGS-VT)：栅漏电压为开启电压时，漏极端的感应层消失，沟道被夹断，称为“预夹断”。

3)当VDS再增加时(即VDS＞VGS-VT或VGD=VGS-VDS<VT)：iD将不再增加而基本保持不变。因为VDS再增加时，近漏端上的预夹断点向s极延伸，使VDS的增加部分降落在预夹断区，以维持iD的大小，。

伏安特性与电流方程：

(1) 增强型NMOS管的转移特性：在一定VDS下，栅-源电压VGS与漏极电流iD之间的关系：

IDO是VGS=2VT时的漏极电流。

(2) 输出特性(漏极特性)

表示漏极电流iD漏-源电压VDS之间的关系：。

与三极管的特性相似，也可分为3个区：可变电阻区，放大区(恒流区、饱和区)， 截止区(夹断区)。可变电阻区管子导通，但沟道尚未预夹断，即满足的条件为：。在可变电阻区iD仅受VGS的控制，而且随VDS增大而线性增大。可模拟为受VGS控制的压控电阻RDS，。放大区(沟道被预夹断后)，又称恒流区、饱和区。条件是：。特征是iD主要受VGS控制，与VDS几乎无关，表现为较好的恒流特性。 夹断区又称截止区，管子没有导电沟道( VGS＜VT )时的状态，。

4.耗尽型NMOS管

在制造过程中，人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中埋入了大量的K (钾)或Na (钠)等正离子 ；VGS=0，靠正离子作用，使P型衬底表面感应出N型反型层，将两个N 区连通，形成原始的N型导电沟道；VDS一定，外加正栅压(VGS＞0)，导电沟道变厚，沟道等效电阻下降，漏极电流iD增大； 外加负栅压VGS＜0)时，沟道变薄，沟道电阻增大，iD减小；VGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示，称为夹断电压)，导电沟道消失，整个沟道被夹断，iD≈0，管子截止 。

耗尽型NMOS的伏安特性：

放大区的电流方程：，IDSS为饱和漏极电流，是VGS=0时耗尽型MOS管的漏极电流。

二、结型场效应管(JFET)

结构与符号：

在N区两侧扩散两个P＋区，形成两个PN结。两个P＋区相连，引出栅极g。N体的上下两端分别引出漏极d和源极s。

导电原理：

(1)VGS＝0时，N型棒体导电沟道最宽(N型区)。有了VDS后，沟道中的电流最大。

(2)VGS＜0时，耗尽层加宽(主要向沟道一测加宽)，并向沟道中间延伸，沟道变窄。

当VGS＜VP(称为夹断电压)时，二个耗尽层增大到相遇，沟道消失，这时称沟道夹断，沟道中的载流子被耗尽。若有VDS电压时，沟道电流也为零。所以属于耗尽型FET，原理和特性与耗尽型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作时，两个PN结必须反偏，如对N沟道JFET，要求VGS≤0。

加上负VGS电压和VDS电压以后，VGD的负压比VGS大，所以，二个反偏PN结的空间电荷区变得上宽下窄，使沟道形成楔形。

JFET通过VGS改变半导体内耗尽层厚度(沟道的截面积)控制iD，称为体内场效应器件；MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD，称为表面场效应器件。

JFET的伏安特性(以N沟道JFET为例)：伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。但VGS必定要反向偏置。

三、场效应管的主要参数

1.直流参数

开启电压VT： 增强型管的参数；夹断电压VP：耗尽型管的参数；饱和漏极电流IDSS： 指耗尽型管在VGS=0时的漏极电流；输入电阻 RGS(DC)：因iG=0，所以输入电阻很大。JFET大于107Ω，MOS管大于1012Ω。

2.交流参数

低频跨导(互导)gm：，跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，且与工作点有关，是转移特性曲线上过Q点切线的斜率。gm的单位是mS；交流输出电阻rds：，rds反映了漏源电压对漏极电流的影响程度，在恒流区内，是输出特性曲线上过Q点的切线斜率的倒数。其值一般为若几十kΩ。

3.极限参数

最大漏-源电压V(BR)DS ：漏极附近发生雪崩击穿时的VDS；最大栅-源电压V(BR)GS ： 栅极与源极间PN结的反向击穿电压；最大耗散功率PDM：同三极管的PCM相似，当超过PDM时，管子可能烧坏。