詳解場效應管原理（圖文解析）及作用、特點、結構大全

場效應管概述

場效應管原理詳解，場效應晶體管簡稱場效應管。主要有兩種類型：結型場效應管（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場效應管（metal-oxide semiconductor FET，簡稱MOS-FET）。由多數載流子參與導電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。

具有輸入電阻高（107～1015Ω）、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點，現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。

場效應管的特點

與雙極型晶體管相比，場效應管具有如下特點。

（1）場效應管是電壓控制器件，它通過VGS(柵源電壓)來控制ID（漏極電流）；

（2）場效應管的控制輸入端電流極小，因此它的輸入電阻（107～1012Ω）很大。

（3）它是利用多數載流子導電，因此它的溫度穩定性較好；

（4）它組成的放大電路的電壓放大系數要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數；

（5）場效應管的抗輻射能力強；

（6）由于它不存在雜亂運動的電子擴散引起的散粒噪聲，所以噪聲低。

場效應管原理及基本結構

下面詳解場效應管原理。場效應管，是金屬-氧化物-半導體型場效應管，屬于絕緣柵型。本文就結構構造、特點、實用電路等幾個方面用工程師的話簡單描述。其結構示意圖：

MOS場效應三極管分為：增強型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見上圖。其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當雙極型三極管的集電極；

電極 G（Gate） 稱為柵極，相當于的基極；

電極 S（Source）稱為源極，相當于發射極。

N溝道增強型MOS場效應管結構

場效應管原理與結構，在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個電極B，這就構成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。

圖(a)、(b)分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。

N溝道增強型場效應管的工作原理

場效應管原理-N溝道增強型場效應管原理如下：

（1）vGS對iD及溝道的控制作用

① vGS=0 的情況

從圖1(a)可以看出，增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結。當柵——源電壓vGS=0時，即使加上漏——源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個PN結處于反偏狀態，漏——源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。

② vGS>0 的情況

若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個電場。電場方向垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場。這個電場能排斥空穴而吸引電子。

排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。

（2）導電溝道的形成：

當vGS數值較小，吸引電子的能力不強時，漏——源極之間仍無導電溝道出現，如圖1(b)所示。vGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當vGS達到某一數值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區相連通，在漏——源極間形成N型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。

開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態。只有當vGS≥VT時，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時才能形成導電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。溝道形成以后，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產生。

vDS對iD的影響

如圖(a)所示，當vGS>VT且為一確定值時，漏——源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場效應管相似。

漏極電流iD沿溝道產生的電壓降使溝道內各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS－vDS，因而這里溝道最薄。但當vDS較小（vDS）

隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時，溝道在漏極一端出現預夾斷，如圖2(b)所示。再繼續增大vDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進入飽和區，iD幾乎僅由vGS決定。

N溝道耗盡型場效應管原理與基本結構

（1）結構：

N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。

（2）區別：

耗盡型MOS管在vGS=0時，漏——源極間已有導電溝道產生，而增強型MOS管要在vGS≥VT時才出現導電溝道。

（3）原因：

制造N溝道耗盡型MOS管時，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時，在這些正離子產生的電場作用下，漏——源極間的P型襯底表面也能感應生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。

如果加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負時，溝道中感應的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當vGS負向增加到某一數值時，導電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結型場效應管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。

P溝道耗盡型場效應管原理

P溝道場效應管原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

場效應管的作用

1.可應用于放大。由于場效應管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。

2.很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。

3.可以用作可變電阻。

4.可以方便地用作恒流源。

5.可以用作電子開關。

6.在電路設計上的靈活性大。柵偏壓可正可負可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負偏壓下工作。另外輸入阻抗高，可以減輕信號源負載，易于跟前級匹配。

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