(完整版)对场效应管工作原理的理解.pdf

如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难 度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可 能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。 场效应管的结构 场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管 制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方 面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负 载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。 结型场效应管的结构 结型场效应管又叫 JFET，只有耗尽型。 这里以 N 沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为 N 沟道结型 场效应管的结构示意图。在一块 N 型硅，材料 (沟道 )上引出两个电极，分别为源极 (S)和漏极 (D) 。在 它的两边各附一小片 P 型材料并引出一个电极，称为栅极 (G) 。这样在沟道和栅极间便形成了两个 PN 结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果 在漏极及源极之间加上电压 UDs ，就有电流流过， ID 将随 UDS 的增大而增大。如果给管子加上负偏差 UGS 时， PN 结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区 ( 如图 a 中阴影区所示 ) 。其性能类似 于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到 了利用反向偏压所产生的电场来控制 N 型硅片 (沟道 ) 中的电流大小的目的。 注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是 PN 结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时 I D 是最大的。 特点： 1 ，GS 和 GD 有二极管特性，正向导通，反向电阻很大 2 ：DS 也是导通特性，阻抗比较大 3 ：GS 工作在反向偏置的状态。 4 ：DS 极完全对称，可以反用，即 D 当做 S ，S 当做 D 。 从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源 极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成 P 型，而栅极做成 N 型，则成为 P 沟道结型 场效应管。结型场效应管的符号如图 b 所示。 符号： 箭头的方向仍然是 PN 结正向导通的方向。 绝缘栅场效应管 MOSFET 结型虽然电压控制方式，但是仍然有少子的飘移形成电流。绝缘栅场效应管是栅极与衬底完全 绝缘，所以叫绝缘栅场效应管。 绝缘栅型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应晶体管 (MOSFET) 分为增强型和 耗尽型两大类，每类中又有 N 沟道和 P 沟道之分， N 沟道又叫 PMOS 管， P 沟道又叫 NMOS 管。不 象双极型晶体管只有 NPN 和 PNP 两类，场效应晶体管的种类要多一些。但是它们的工作原理基本相 同，所以下面以增强型 N 沟道场效应晶体管为例来加以说明。 绝缘栅型场效应三极管 MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor FET) 。分为 增强型 N 沟道、 P 沟道 耗尽型 N 沟道、 P 沟道 N 沟道增强型 MOSFET 的结构示意图和符号见图 4.1 。其中： D(Drain) 为漏极，相当 c ；