導體場效應電晶體

導體場效應電晶體是由多數載流子參與導電,也稱為單極型電晶體.它屬於電壓控制型半導體器件.

基本介紹

• 中文名：導體場效應電晶體
• 外文名：FieldEffectTransistor
• 屬於：電壓控制型器件,電氣
• 縮寫：(FET)

根據三極體的原理開發出的新一代放大元件，有3個極性，柵極，漏極，源極，它的特點是柵極的內阻極高，採用二氧化矽材料的可以達到幾百兆歐，屬於電壓控制型器件
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概念

場效應電晶體（FieldEffectTransistor縮寫(FET)）簡稱場效應管.由多數載流子參與導電,也稱為單極型電晶體.它屬於電壓控制型半導體器件.

特點

具有輸入電阻高（100000000～1000000000Ω）、噪聲小、功耗低、動態範圍大、易於集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點,現已成為雙極型電晶體和功率電晶體的強大競爭者.

作用

場效應管可套用於放大.由於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.
場效應管可以用作電子開關.
場效應管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換.常用於多級放大器的輸入級作阻抗變換.場效應管可以用作可變電阻.場效應管可以方便地用作恆流源.

分類

場效應管分結型、絕緣柵型(MOS)兩大類
按溝道材料:結型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種.
按導電方式:耗盡型與增強型,結型場效應管均為耗盡型,絕緣柵型場效應管既有耗盡型的,也有增強型的。
場效應電晶體可分為結場效應電晶體和MOS場效應電晶體,而MOS場效應電晶體又分為N溝耗盡型和增強型;P溝耗盡型和增強型四大類.見下圖:

主要參數

IDSS—飽和漏源電流.是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中,柵極電壓UGS=0時的漏源電流.
Up—夾斷電壓.是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中,使漏源間剛截止時的柵極電壓.
Ut—開啟電壓.是指增強型絕緣柵場效管中,使漏源間剛導通時的柵極電壓.
gM—跨導.是表示柵源電壓UGS—對漏極電流ID的控制能力,即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值.gM是衡量場效應管放大能力的重要參數.
BVDS—漏源擊穿電壓.是指柵源電壓UGS一定時,場效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓.這是一項極限參數,加在場效應管上的工作電壓必須小於BVDS.
PDSM—最大耗散功率,也是一項極限參數,是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率.使用時,場效應管實際功耗應小於PDSM並留有一定餘量.
IDSM—最大漏源電流.是一項極限參數,是指場效應管正常工作時,漏源間所允許通過的最大電流.場效應管的工作電流不應超過IDSM
Cds---漏-源電容
Cdu---漏-襯底電容
Cgd---柵-源電容
Cgs---漏-源電容
Ciss---柵短路共源輸入電容
COSS---柵短路共源輸出電容
CRSS---柵短路共源反向傳輸電容
D---占空比（占空係數，外電路參數）
di/dt---電流上升率（外電路參數）
dv/dt---電壓上升率（外電路參數）
ID---漏極電流（直流）
IDM---漏極脈衝電流
ID(on)---通態漏極電流
IDQ---靜態漏極電流（射頻功率管）
IDS---漏源電流
IDSM---最大漏源電流
IDSS---柵-源短路時，漏極電流
IDS(sat)---溝道飽和電流（漏源飽和電流）
IG---柵極電流（直流）
IGF---正向柵電流
IGR---反向柵電流
IGDO---源極開路時，截止柵電流
IGSO---漏極開路時，截止柵電流
IGM---柵極脈衝電流
IGP---柵極峰值電流
IF---二極體正向電流
IGSS---漏極短路時截止柵電流
IDSS1---對管第一管漏源飽和電流
IDSS2---對管第二管漏源飽和電流
Iu---襯底電流
Ipr---電流脈衝峰值（外電路參數）
gfs---正向跨導
Gp---功率增益
Gps---共源極中和高頻功率增益
gpg---共柵極中和高頻功率增益
GPD---共漏極中和高頻功率增益
ggd---柵漏電導
gds---漏源電導
K---失調電壓溫度係數
Ku---傳輸係數
L---負載電感（外電路參數）
LD---漏極電感
Ls---源極電感
rDS---漏源電阻
rDS(on)---漏源通態電阻
rDS(of)---漏源斷態電阻
rGD---柵漏電阻
rgs---柵源電阻
Rg---柵極外接電阻（外電路參數）
RL---負載電阻（外電路參數）
R(th)jc---結殼熱阻
R(th)ja---結環熱阻
PD---漏極耗散功率
PDM---漏極最大允許耗散功率
PIN--輸入功率
POUT---輸出功率
PPK---脈衝功率峰值（外電路參數）
to(on)---開通延遲時間
td(off)---關斷延遲時間
ti---上升時間
ton---開通時間
toff---關斷時間
tf---下降時間
trr---反向恢復時間
Tj---結溫
Tjm---最大允許結溫
Ta---環境溫度
Tc---管殼溫度
Tstg---貯成溫度
VDS---漏源電壓（直流）
VGS---柵源電壓（直流）
VGSF--正向柵源電壓（直流）
VGSR---反向柵源電壓（直流）
VDD---漏極（直流）電源電壓（外電路參數）
VGG---柵極（直流）電源電壓（外電路參數）
Vss---源極（直流）電源電壓（外電路參數）
VGS(th)---開啟電壓或閥電壓
V（BR）DSS---漏源擊穿電壓
V（BR）GSS---漏源短路時柵源擊穿電壓
VDS(on)---漏源通態電壓
VDS(sat)---漏源飽和電壓
VGD---柵漏電壓（直流）
VSU---源襯底電壓（直流）
VDU---漏襯底電壓（直流）
VGu---柵襯底電壓（直流）
Zo---驅動源內阻
η---漏極效率（射頻功率管）
Vn---噪聲電壓
aID---漏極電流溫度係數
ards---漏源電阻溫度係數

結型場效應管的管腳識別

判定柵極G:將萬用表撥至R×1k檔,用萬用表的負極任意接一電極,另一隻表筆依次去接觸其餘的兩個極,測其電阻.若兩次測得的電阻值近似相等,則負表筆所接觸的為柵極,另外兩電極為漏極和源極.漏極和源極互換,若兩次測出的電阻都很大,則為N溝道;若兩次測得的阻值都很小,則為P溝道.
判定源極S、漏極D:
在源-漏之間有一個PN結,因此根據PN結正、反向電阻存在差異,可識別S極與D極.用交換表筆法測兩次電阻,其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻,此時黑表筆的是S極,紅表筆接D極.

與晶體三極體的比較

場效應管是電壓控制元件,而電晶體是電流控制元件.在只允許從信號源取較少電流的情況下,應選用場效應管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應選用電晶體.
晶體三極體與場效應管工作原理完全不同，但是各極可以近似對應以便於理解和設計：
電晶體：基極發射極集電極
場效應管：柵極源極漏極
要注意的是，電晶體(NPN型)設計發射極電位比基極電位低(約0.6V)，場效應管源極電位比柵極電位高（約0.4V)。
場效應管是利用多數載流子導電,所以稱之為單極型器件,而電晶體是即有多數載流子,也利用少數載流子導電,被稱之為雙極型器件.
有些場效應管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負,靈活性比電晶體好.
場效應管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的製造工藝可以很方便地把很多場效應管集成在一塊矽片上,因此場效應管在大規模積體電路中得到了廣泛的套用.

工作原理

一、場效應管的結構原理及特性場效應管有結型和絕緣柵兩種結構，每種結構又有N溝道和P溝道兩種導電溝道。
1、結型場效應管（JFET）
（1）結構原理它的結構及符號見圖1。在N型矽棒兩端引出漏極D和源極S兩個電極，又在矽棒的兩側各做一個P區，形成兩個PN結。在P區引出電極並連線起來，稱為柵極Go這樣就構成了N型溝道的場效應管
圖1、N溝道結構型場效應管的結構及符號
由於PN結中的載流子已經耗盡，故PN基本上是不導電的，形成了所謂耗盡區，從圖1中可見，當漏極電源電壓ED一定時，如果柵極電壓越負，PN結交界面所形成的耗盡區就越厚，則漏、源極之間導電的溝道越窄，漏極電流ID就愈小；反之，如果柵極電壓沒有那么負，則溝道變寬，ID變大，所以用柵極電壓EG可以控制漏極電流ID的變化，就是說，場效應管是電壓控制元件。
（2）特性曲線
1）轉移特性
圖2（a）給出了N溝道結型場效應管的柵壓---漏流特性曲線，稱為轉移特性曲線，它和電子管的動態特性曲線非常相似，當柵極電壓VGS=0時的漏源電流。用IDSS表示。VGS變負時，ID逐漸減小。ID接近於零的柵極電壓稱為夾斷電壓，用VP表示，在0≥VGS≥VP的區段內，ID與VGS的關係可近似表示為：
ID=IDSS（1-|VGS/VP|）
其跨導gm為：gm=（△ID/△VGS）|VDS=常微（微歐）|
式中：△ID------漏極電流增量（微安）
------△VGS-----柵源電壓增量（伏）
圖2、結型場效應管特性曲線
2）漏極特性（輸出特性）
圖2(b)給出了場效應管的漏極特性曲線，它和晶體三極體的輸出特性曲線很相似。
①可變電阻區（圖中I區）在I區里VDS比較小，溝通電阻隨柵壓VGS而改變，故稱為可變電阻區。當柵壓一定時，溝通電阻為定值，ID隨VDS近似線性增大，當VGS<VP時，漏源極間電阻很大（關斷）。IP=0；當VGS=0時，漏源極間電阻很小（導通），ID=IDSS。這一特性使場效應管具有開關作用。
②恆流區（區中II區）當漏極電壓VDS繼續增大到VDS>|VP|時，漏極電流，IP達到了飽和值後基本保持不變，這一區稱為恆流區或飽和區，在這裡，對於不同的VGS漏極特性曲線近似平行線，即ID與VGS成線性關係，故又稱線性放大區。
③擊穿區（圖中Ⅲ區）如果VDS繼續增加，以至超過了PN結所能承受的電壓而被擊穿，漏極電流ID突然增大，若不加限制措施，管子就會燒壞。
2、絕緣柵場效應管
它是由金屬、氧化物和半導體所組成，所以又稱為金屬---氧化物---半導體場效應管，簡稱MOS場效應管。
（1）結構原理
它的結構、電極及符號見圖3所示，以一塊P型薄矽片作為襯底，在它上面擴散兩個高雜質的N型區，作為源極S和漏極D。在矽片表覆蓋一層絕緣物，然後再用金屬鋁引出一個電極G（柵極）由於柵極與其它電極絕緣，所以稱為絕緣柵場面效應管。
圖3、N溝道（耗盡型）絕緣柵場效應管結構及符號
在製造管子時，通過工藝使絕緣層中出現大量正離子，故在交界面的另一側能感應出較多的負電荷，這些負電荷把高滲雜質的N區接通，形成了導電溝道，即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時，溝道內被感應的電荷量也改變，導電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。
場效應管的式作方式有兩種：當柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗散型，當柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之後才有漏極電流的稱為增強型。
（2）特性曲線
1）轉移特性（柵壓----漏流特性）
圖4（a）給出了N溝道耗盡型絕緣柵場效應管的轉移行性曲線，圖中Vp為夾斷電壓（柵源截止電壓）；IDSS為飽和漏電流。
圖4（b）給出了N溝道增強型絕緣柵場效管的轉移特性曲線，圖中Vr為開啟電壓，當柵極電壓超過VT時，漏極電流才開始顯著增加。
2）漏極特性（輸出特性）
圖5（a）給出了N溝道耗盡型絕緣柵場效應管的輸出特性曲線。
圖5(b)為N溝道增強型絕緣柵場效應管的輸出特性曲線。
圖4、N溝道MOS場效管的轉移特性曲線
圖5、N溝道MOS場效應管的輸出特性曲線
此外還有N襯底P溝道（見圖1）的場效應管，亦分為耗盡型號增強型兩種，
各種場效應器件的分類，電壓符號和主要伏安特性（轉移特性、輸出特性）二、場效應管的主要參數
1、夾斷電壓VP
當VDS為某一固定數值，使IDS等於某一微小電流時，柵極上所加的偏壓VGS就是夾斷電壓VP。
2、飽和漏電流IDSS
在源、柵極短路條件下，漏源間所加的電壓大於VP時的漏極電流稱為IDSS。
3、擊穿電壓BVDS
表示漏、源極間所能承受的最大電壓，即漏極飽和電流開始上升進入擊穿區時對應的VDS。
4、直流輸入電阻RGS
在一定的柵源電壓下，柵、源之間的直流電阻，這一特性有以流過柵極的電流來表示，結型場效應管的RGS可達1000000000歐而絕緣柵場效應管的RGS可超過10000000000000歐。
5、低頻跨導gm
漏極電流的微變數與引起這個變化的柵源電壓微數變數之比，稱為跨導，即
gm=△ID/△VGS
它是衡量場效應管柵源電壓對漏極電流控制能力的一個參數，也是衡量放大作用的重要參數，此參靈敏常以柵源電壓變化1伏時，漏極相應變化多少微安（μA/V）或毫安（mA/V）來表示
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金屬氧化物半導體場效應三極體的基本工作原理是靠半導體表面的電場效應，在半導體中感生出導電溝道來進行工作的。當柵g電壓vg增大時，p型半導體表面的多數載流子棗空穴減少、耗盡，而電子積累到反型。當表面達到反型時，電子積累層將在n+源區s和n+漏區d形成導電溝道。當vds≠0時，源漏電極有較大的電流ids流過。使半導體表面達到強反型時所需加的柵源電壓稱為閾值電壓vt。當vgs>vt並取不同數值時，反型層的導電能力將改變，在的vds下也將產生不同的ids,實現柵源電壓vgs對源漏電流ids的控制。
場效應管（fet）是電場效應控制電流大小的單極型半導體器件。在其輸入端基本不取電流或電流極小，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、製造工藝簡單等特點，在大規模和超大規模積體電路中被套用。
fet和雙極型三極體相類似，電極對應關係是b®g、e®s、c®d；由fet組成的放大電路也和三極體放大電路相類似，三極體放大電路基極迴路一個偏置電流(偏流)，而fet放大電路的場效應管柵極沒有電流，fet放大電路的柵極迴路一個合適的偏置電壓(偏壓)。
fet組成的放大電路和三極體放大電路的主要區別：場效應管是電壓控制型器件，靠柵源的電壓變化來控制漏極電流的變化，放大作用以跨導來；三極體是電流控制型器件，靠基極電流的變化來控制集電極電流的變化，放大作用由電流放大倍數來。
場效應管放大電路分為共源、共漏、共柵極三種組態。在分析三種組態時，可與雙極型三極體的共射、共集、共基對照，體會二者間的相似與區別之處。