详解场效应管原理（图文解析）及作用、特点、结构大全

场效应管概述

场(chang)效应管(guan)(guan)原理详解，场(chang)效应晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)简称场(chang)效应管(guan)(guan)。主要(yao)有两种类型(xing)：结型(xing)场(chang)效应管(guan)(guan)（junction FET—JFET)和(he)金属(shu) - 氧化(hua)物(wu)半导(dao)体(ti)(ti)场(chang)效应管(guan)(guan)（metal-oxide semiconductor FET，简称MOS-FET）。由多数载流子参与导(dao)电，也(ye)称为单极型(xing)晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)(guan)。它属(shu)于电压(ya)控(kong)制型(xing)半导(dao)体(ti)(ti)器件。

具有(you)(you)输入电阻高（107～1015Ω）、噪声小、功耗(hao)低(di)、动(dong)态(tai)范围大、易于集成、没(mei)有(you)(you)二次击穿现(xian)象(xiang)、安全(quan)工作区域(yu)宽等优点，现(xian)已成为双极型(xing)晶(jing)(jing)体管和功率晶(jing)(jing)体管的强大竞争者。

场效应管的特点

与双极(ji)型晶体管(guan)相比，场效应管(guan)具有如下特点。

（1）场效(xiao)应管是电压控(kong)制(zhi)器(qi)件，它(ta)通过VGS(栅源电压)来控(kong)制(zhi)ID（漏极电流）；

（2）场效应管的(de)控制输入端电流极小，因此它(ta)的(de)输入电阻（107～1012Ω）很大。

（3）它是利用(yong)多数载流子导电(dian)，因此它的(de)温度稳定性较好；

（4）它组(zu)成的(de)(de)放(fang)(fang)大(da)(da)电路的(de)(de)电压(ya)放(fang)(fang)大(da)(da)系数(shu)要小于三极管组(zu)成放(fang)(fang)大(da)(da)电路的(de)(de)电压(ya)放(fang)(fang)大(da)(da)系数(shu)；

（5）场效应管的抗辐(fu)射能力(li)强；

（6）由于它不存在杂乱运(yun)动的电子扩散引起的散粒(li)噪(zao)声，所(suo)以噪(zao)声低。

场效应管原理及基本结构

下(xia)面(mian)详解场(chang)效应(ying)(ying)管原理(li)。场(chang)效应(ying)(ying)管，是金(jin)属(shu)-氧化物-半(ban)导体型(xing)场(chang)效应(ying)(ying)管，属(shu)于绝缘栅型(xing)。本文就结(jie)构(gou)构(gou)造、特点(dian)、实用电路等(deng)几个方(fang)面(mian)用工程师的话简(jian)单描述。其结(jie)构(gou)示(shi)意图：

MOS场(chang)效应三极(ji)(ji)(ji)管(guan)分为：增强型(xing)(xing)（又(you)有N沟(gou)(gou)道、P沟(gou)(gou)道之分）及耗尽型(xing)(xing)（分有N沟(gou)(gou)道、P沟(gou)(gou)道）。N沟(gou)(gou)道增强型(xing)(xing)MOSFET的结(jie)构示意图(tu)和(he)符号见上图(tu)。其中：电(dian)极(ji)(ji)(ji) D（Drain） 称为漏极(ji)(ji)(ji)，相当双极(ji)(ji)(ji)型(xing)(xing)三极(ji)(ji)(ji)管(guan)的集(ji)电(dian)极(ji)(ji)(ji)；

电极(ji)(ji) G（Gate） 称(cheng)为栅极(ji)(ji)，相当于(yu)的(de)基极(ji)(ji)；

电极(ji) S（Source）称为源极(ji)，相当于(yu)发射(she)极(ji)。

N沟道增强型MOS场效应管结构

场(chang)效应(ying)管(guan)原(yuan)理(li)与结(jie)构，在(zai)(zai)一块(kuai)掺(chan)杂浓度较低的(de)P型硅(gui)(gui)衬(chen)底(di)上(shang)(shang)，制作两个(ge)高掺(chan)杂浓度的(de)N+区，并用(yong)金属铝(lv)引(yin)出(chu)两个(ge)电(dian)极(ji)，分(fen)别(bie)作漏极(ji)d和源(yuan)极(ji)s。然(ran)后(hou)在(zai)(zai)半导体表面覆盖一层很(hen)薄的(de)二氧(yang)化硅(gui)(gui)(SiO2)绝(jue)缘(yuan)(yuan)层，在(zai)(zai)漏——源(yuan)极(ji)间的(de)绝(jue)缘(yuan)(yuan)层上(shang)(shang)再装上(shang)(shang)一个(ge)铝(lv)电(dian)极(ji),作为栅(zha)极(ji)g。衬(chen)底(di)上(shang)(shang)也引(yin)出(chu)一个(ge)电(dian)极(ji)B，这就构成了(le)一个(ge)N沟(gou)道增强(qiang)型MOS管(guan)。MOS管(guan)的(de)源(yuan)极(ji)和衬(chen)底(di)通(tong)常(chang)是(shi)接在(zai)(zai)一起(qi)的(de)(大多数管(guan)子(zi)在(zai)(zai)出(chu)厂(chang)前已(yi)连接好(hao))。它的(de)栅(zha)极(ji)与其它电(dian)极(ji)间是(shi)绝(jue)缘(yuan)(yuan)的(de)。

图(a)、(b)分别是(shi)它的(de)结构示(shi)意图和代(dai)表符号(hao)。代(dai)表符号(hao)中的(de)箭头方向(xiang)表示(shi)由(you)P(衬底)指(zhi)向(xiang)N(沟道(dao))。P沟道(dao)增强型(xing)MOS管的(de)箭头方向(xiang)与(yu)上述(shu)相反，如图(c)所(suo)示(shi)。

N沟道增强型场效应管的工作原理

场效应(ying)管(guan)原理(li)-N沟道增强型场效应(ying)管(guan)原理(li)如(ru)下：

（1）vGS对(dui)iD及沟道(dao)的控制作用

① vGS=0 的情(qing)况

从图1(a)可以(yi)看出，增强(qiang)型MOS管的漏(lou)(lou)极(ji)(ji)d和源(yuan)极(ji)(ji)s之间(jian)有两个背靠(kao)背的PN结。当栅(zha)——源(yuan)电(dian)压(ya)vGS=0时，即使加(jia)上漏(lou)(lou)——源(yuan)电(dian)压(ya)vDS，而且不(bu)论(lun)vDS的极(ji)(ji)性(xing)如何，总(zong)有一个PN结处(chu)于(yu)反偏状态，漏(lou)(lou)——源(yuan)极(ji)(ji)间(jian)没有导电(dian)沟道(dao)，所以(yi)这时漏(lou)(lou)极(ji)(ji)电(dian)流(liu)iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅极和衬底之间(jian)的SiO2绝缘层中便(bian)产生一个(ge)电(dian)(dian)场(chang)。电(dian)(dian)场(chang)方向垂直于半导体表面的由(you)栅极指向衬底的电(dian)(dian)场(chang)。这个(ge)电(dian)(dian)场(chang)能(neng)排斥空(kong)穴而(er)吸引电(dian)(dian)子(zi)。

排斥(chi)空(kong)(kong)穴(xue)：使栅极(ji)附近的(de)(de)P型衬底(di)中的(de)(de)空(kong)(kong)穴(xue)被(bei)排斥(chi)，剩下(xia)不能移动的(de)(de)受主离子(zi)(负离子(zi))，形成耗尽(jin)层。吸引(yin)电子(zi)：将 P型衬底(di)中的(de)(de)电子(zi)（少子(zi)）被(bei)吸引(yin)到衬底(di)表面。

（2）导电沟道的形(xing)成：

当(dang)vGS数值较(jiao)小，吸(xi)引电(dian)子的(de)能力不强时，漏(lou)——源极(ji)之间(jian)仍无导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)出(chu)现，如(ru)图1(b)所示。vGS增加时，吸(xi)引到P衬底(di)表(biao)(biao)面层的(de)电(dian)子就(jiu)增多(duo)(duo)，当(dang)vGS达到某一数值时，这(zhei)些电(dian)子在(zai)栅极(ji)附近的(de)P衬底(di)表(biao)(biao)面便形(xing)成(cheng)一个N型(xing)薄层，且与两(liang)个N+区相(xiang)连(lian)通，在(zai)漏(lou)——源极(ji)间(jian)形(xing)成(cheng)N型(xing)导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)，其导(dao)电(dian)类型(xing)与P衬底(di)相(xiang)反(fan)，故又称为反(fan)型(xing)层，如(ru)图1(c)所示。vGS越(yue)(yue)大，作(zuo)用于半导(dao)体(ti)表(biao)(biao)面的(de)电(dian)场(chang)就(jiu)越(yue)(yue)强，吸(xi)引到P衬底(di)表(biao)(biao)面的(de)电(dian)子就(jiu)越(yue)(yue)多(duo)(duo)，导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)越(yue)(yue)厚，沟(gou)道(dao)电(dian)阻越(yue)(yue)小。

开始形成沟(gou)道(dao)时(shi)的(de)栅(zha)——源极电压称为开启(qi)电压，用VT表示(shi)。

上(shang)面讨论的(de)N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)MOS管在vGS＜VT时，不能(neng)形(xing)成(cheng)导(dao)电沟(gou)(gou)(gou)道(dao)，管子处于截止(zhi)状态。只有当(dang)vGS≥VT时，才(cai)有沟(gou)(gou)(gou)道(dao)形(xing)成(cheng)。这种(zhong)必(bi)须(xu)在vGS≥VT时才(cai)能(neng)形(xing)成(cheng)导(dao)电沟(gou)(gou)(gou)道(dao)的(de)MOS管称为增(zeng)强型MOS管。沟(gou)(gou)(gou)道(dao)形(xing)成(cheng)以后，在漏——源极间加上(shang)正向电压(ya)vDS，就有漏极电流产生。

vDS对iD的影响

如图(a)所(suo)示，当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压(ya)vDS对导电沟(gou)道及电流iD的影响与结(jie)型场效应管相似。

漏极(ji)电(dian)流(liu)iD沿沟道产生的(de)(de)电(dian)压(ya)降使(shi)沟道内各点(dian)与栅极(ji)间的(de)(de)电(dian)压(ya)不再相等，靠近(jin)源极(ji)一端的(de)(de)电(dian)压(ya)最(zui)大(da)，这(zhei)里沟道最(zui)厚，而(er)漏极(ji)一端电(dian)压(ya)最(zui)小(xiao)，其(qi)值为(wei)VGD=vGS－vDS，因(yin)而(er)这(zhei)里沟道最(zui)薄。但(dan)当vDS较小(xiao)（vDS）

随着vDS的(de)增(zeng)大，靠近漏极的(de)沟道越来(lai)越薄，当vDS增(zeng)加(jia)到使(shi)VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在(zai)漏极一端(duan)出现预夹(jia)断，如图2(b)所(suo)示(shi)。再(zai)继续增(zeng)大vDS，夹(jia)断点将(jiang)向源极方向移动(dong)，如图2(c)所(suo)示(shi)。由于vDS的(de)增(zeng)加(jia)部分几(ji)(ji)乎(hu)(hu)全部降落(luo)在(zai)夹(jia)断区，故iD几(ji)(ji)乎(hu)(hu)不随vDS增(zeng)大而(er)增(zeng)加(jia)，管子进入饱(bao)和区，iD几(ji)(ji)乎(hu)(hu)仅由vGS决定。

N沟道耗尽型场效应管原理与基本结构

（1）结构：

N沟(gou)道耗尽型MOS管与N沟(gou)道增(zeng)强型MOS管基本相似。

（2）区别：

耗尽(jin)型MOS管在vGS=0时，漏(lou)——源极间(jian)已有导电沟道(dao)产生(sheng)，而(er)增(zeng)强(qiang)型MOS管要在vGS≥VT时才出现(xian)导电沟道(dao)。

（3）原因：

制造N沟(gou)(gou)(gou)道耗尽型(xing)MOS管(guan)时(shi)，在SiO2绝缘层中掺入了大量的(de)碱(jian)金属正(zheng)离子(zi)(zi)Na+或K+(制造P沟(gou)(gou)(gou)道耗尽型(xing)MOS管(guan)时(shi)掺入负离子(zi)(zi))，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时(shi)，在这些正(zheng)离子(zi)(zi)产生(sheng)的(de)电(dian)场作用(yong)下，漏——源(yuan)极(ji)间(jian)的(de)P型(xing)衬(chen)底表面也能感(gan)应生(sheng)成N沟(gou)(gou)(gou)道(称为(wei)初始沟(gou)(gou)(gou)道)，只要(yao)加(jia)上正(zheng)向电(dian)压vDS，就有电(dian)流iD。

如(ru)果(guo)加上正的(de)vGS，栅极(ji)与N沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)间的(de)电场将在(zai)(zai)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)中吸(xi)引来更多的(de)电子，沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)加宽，沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)电阻变(bian)小，iD增(zeng)大。反之vGS为负(fu)时(shi)，沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)中感(gan)应的(de)电子减(jian)少，沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)变(bian)窄(zhai)，沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)电阻变(bian)大，iD减(jian)小。当(dang)vGS负(fu)向增(zeng)加到某一数(shu)值时(shi)，导电沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)消失(shi)(shi)，iD趋(qu)于零(ling)，管子截止，故称(cheng)为耗尽型(xing)。沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)消失(shi)(shi)时(shi)的(de)栅－源(yuan)电压称(cheng)为夹(jia)断(duan)电压，仍(reng)用VP表示。与N沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)结型(xing)场效应管相同，N沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)耗尽型(xing)MOS管的(de)夹(jia)断(duan)电压VP也为负(fu)值，但(dan)是，前(qian)者只能在(zai)(zai)vGS<0的(de)情况下(xia)工作。而(er)后(hou)者在(zai)(zai)vGS=0，vGS>0。

P沟道耗尽型场效应管原理

P沟道(dao)场(chang)效应管(guan)原理与N沟道(dao)MOSFET完(wan)全相同(tong)(tong)，只不过导电(dian)的载(zai)流子不同(tong)(tong)，供电(dian)电(dian)压(ya)极(ji)性(xing)不同(tong)(tong)而已。这如同(tong)(tong)双极(ji)型(xing)(xing)三(san)极(ji)管(guan)有(you)NPN型(xing)(xing)和(he)PNP型(xing)(xing)一样(yang)。

场效应管的作用

1.可应用于放大。由(you)于场效应管放大器(qi)的输入阻抗很高，因(yin)此耦合(he)电容(rong)(rong)(rong)可以容(rong)(rong)(rong)量较(jiao)小，不必使用电解电容(rong)(rong)(rong)器(qi)。

2.很高的输入阻抗非常适合作阻抗变(bian)换。常用于多级(ji)放大器的输入级(ji)作阻抗变(bian)换。

3.可以用(yong)作可变电阻。

4.可以方(fang)便地(di)用作恒流源。

5.可以用(yong)作(zuo)电子(zi)开关(guan)。

6.在(zai)电(dian)路设计上的灵活性大。栅偏(pian)压可正(zheng)可负(fu)可零(ling)，三极管只能在(zai)正(zheng)向偏(pian)置下工(gong)作(zuo)，电(dian)子管只能在(zai)负(fu)偏(pian)压下工(gong)作(zuo)。另外输入阻抗高，可以减轻信(xin)号(hao)源负(fu)载，易于跟前级匹配(pei)。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系(xi)地址：深圳市(shi)福田区车公庙(miao)天安数码城天吉大厦CD座5C1

请搜微(wei)(wei)信(xin)公(gong)众号(hao):“KIA半导体”或扫一扫下图(tu)“关(guan)注”官方微(wei)(wei)信(xin)公(gong)众号(hao)

请(qing)“关注”官方微信公(gong)众号:提供(gong) MOS管 技术(shu)帮助