场效应管

1. 场效应管的结构与类型

   场效应管是一种半导体器件，与第二章介绍的晶体管类似，器件内部也有两个PN 结，器件外部也有三个电极（源极s 、栅极g 和漏极d)。

   场效应管按照结构和控制电场的形式，有结型和绝缘栅型两大类型。结型的栅极与硅材料直接接触，控制电场是 PN 结的内电场；绝缘栅型的栅极与硅材料之间隔有绝缘层(SiO2)，不直接接触，控制电场是外电压产生的表面电场。

   场效应管按照工作方式，有耗尽型和增强型之分。

耗尽型：在外加电压为零时，管内有固定的导电沟道，随外加电压的绝对值增大，导电沟道逐渐消失（耗尽）；

增强型：在外加电压为零时，管内没有导电沟道，当外加电压的绝对值增大到一定程度后，导电沟道逐渐形成（增强）。

场效应管按照导电沟道的掺杂类型，有 N 沟道和 P 沟道。两者的外加电压极性相反。

2. 场效应管的工作原理

学习场效应管的工作原理时应正确理解以下几个概念：

a)控制漏极电流的基本原理

场效应管的导电沟道是一个可变电阻，外加电压改变导电沟道的几何尺寸，以改变导电沟道电阻的大小，从而达到控制漏极电流的目的。

b)外加电压对导电沟道的影响

当漏源电压等于零时，栅源电压变化，导电沟道处处宽度相等；当漏源电压不等于零时，导电沟道呈楔状，靠近漏极处沟道较窄。

c)夹断电压和开启电压

对耗尽型管，当栅源电压的绝对值增大到某一数值时，导电沟道就消失——称为夹断，把这一状态时的栅源电压称为夹断电压 UGS(off)。 N 沟道 UGS(off)<0 ， P 沟道 UGS(off)>0 。

对增强型管，当栅源电压的绝对值增大到某一数值时，导电沟道就出现——称为开启，把这一状态时的栅源电压称为开启电压 UGS(th)。 N 沟道 UGS(th)>0， P 沟道 UGS(th)<0 。

d)预夹断和全夹断

预夹断——当UGS一定， UDS增大到一定大小时，漏极端的沟道开始夹断。

全夹断——导电沟道从源极端到漏极端全部夹断，漏极电流为零。

e)预夹断前后的导电情况

预夹断前，漏源极之间电压变化，漏极电流随之变化，类似电阻。当栅源极之间电压不同时，漏源极之间的等效电阻不同，称为“可变电阻区”。

预夹断后，漏源极之间电压变化，漏极电流近似等于常数。因为 UDS数值增大，夹断区由漏极向源极延伸，沟道电阻增大，使 UDS数值的增加为沟道压降的增加抵消，漏极电流基本不变，称为“恒流区”。但是，对应于不同的 UGS，漏极电流的恒值不同。也就是说， UGS对漏极电流有控制作用，所以又称为“放大区”。

3. 场效应管的特性

各种不同类型场效应管的特性如表 3.2.1 所列。

表 3.2.1各种场效应管的特性

	N 沟道			P 沟道
	增强型 MOS	耗尽型 MOS	JFET	增强型 MOS	耗尽型 MOS	JFET
UGS(th)或 UGS(off)	＋	－	－	－	＋	＋
导通条件	UGS<UGS(th)	UGS>UGS(off)	UGS>UGS(off)	UGS<UGS(th)	UGS<UGS(off)	UGS<UGS(off)
UGS	＋	＋	＋	－	－	－
工作在可变电阻区的条件	UDS<=UGS- UGS(th)	UDS<=UGS- UGS(th)	UDS<=UGS- UGS(off)	UDS>=UGS- UGS(th)	UDS>=UGS- UGS(off)	UDS>UGS- UGS(off)
工作在恒流区的条件	UDS>=UGS-UGS(th)(或 UGS(off)			UDS<=UGS-UGS(th)(或 UGS(off)
工作在恒流区的漏极电流	或

4. 场效应管的主要参数

a)直流参数： 开启电压 UGS(th)，夹断电压 UGS(off)；零偏漏极电流IDSS ；。

b)交流参数：跨导gm（也称为互导），它是管子在保持 UDS 一定时，漏极电流微变量与栅极电压微变量的比值；极间电容：栅源电容 Cgs 、栅漏电容 Cgd 、漏源电容 Cds 。

c)极限参数：漏极最大允许耗散功率PDSM 它相当于双极型晶体管的PCM ；最大漏极电流I DSM 是管子在工作时允许的漏极电流最大值，相当于双极型晶体管的ICM ；栅源击穿电压U(BR)GS ；漏源击穿电压U(BR)DS 。

5. 场效应管的微变等效电路

场效应管的微变等效电路如图 3.2.1所示。

5．场效应管与晶体管的比较

(1）导电机理

场效应管利用多子导电，而晶体管则利用多子和少子导电。

(2）结构对称性

场效应管的结构具有对称性，如果绝缘栅型管的衬底在电路内部事先不与源极相连，场效应管的源极和漏极可以互换。而晶体管的结构不对称，集电极与发射极是不能互换的。

(3）控制方式

场效应管工作在放大状态时，漏极电流 ID基本上只随栅源极间电压的变化而变化。所以，常称其为电压控制型器件。

晶体管工作在放大状态时，集电极电流IC基本上只随基极电流 IB的变化而变化，习惯上称其为电流控制型器件。但基极电流IB又受基极与发射极间电压的控制，实质上仍然是电压控制型器件

(4）直流输入电阻

场效应管的直流输入电阻大（结型：一般大于 ，绝缘栅型：一般大于)；而晶体管直流输入电阻较小（发射结正偏）。

(5）稳定性及噪声

场效应管具有较好的温度稳定性、抗辐射性和低噪声性能；晶体管则受温度和辐射的影响较大，这些都与导电机理有关。

(6）放大能力

场效应管因跨导gm较小，而放大能力较弱；晶体管因电流放大系数β较大而放大能力较强。