柵極

由金屬細絲組成的篩網狀或螺旋狀電極。多極電子管中排列在陽極和陰極之間的一個或多個具有細絲網或螺旋線形狀的電極，起控制陰極表面電場強度從而改變陰極發射電子或捕獲二次放射電子的作用。

基本介紹

• 中文名：柵極
• 外文名：grid
• 特點：鍍金，緻密，對陰極呈包裹態
• 作用：控制陽極電流強度從而放大信號
• 詞性：名詞
• 套用：場效應管柵極

簡介

場效應管柵極

場效應管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。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。

場效應管電極

圖1 一個n型MOSFET的橫截面

所有的FET都有柵極、漏極（drain）、源極（source）三個端，分別大致對應雙極性電晶體的基極（base）、集電極（collector）和發射極（emitter）。除了結型場效應管外，所有的FET也有第四端，被稱為體（body）、基（base）、塊體（bulk）或襯底（substrate）。這個第四端可以將電晶體調製至運行；在電路設計中，很少讓體端發揮大的作用，但是當物理設計一個積體電路的時候，它的存在就是重要的。在圖中柵極的長度（length）L，是指源極和漏極的距離。寬度（width）是指電晶體的範圍，在圖中和橫截面垂直。通常情況下寬度比長度大得多。長度1微米的柵極限制最高頻率約為5GHz，0.2微米則是約30GHz。

這些端的名稱和它們的功能有關。柵極可以被認為是控制一個物理柵的開關。這個柵極可以通過製造或者消除源極和漏極之間的溝道，從而允許或者阻礙電子流過。如果受一個外加的電壓影響，電子流將從源極流向漏極。體很簡單的就是指柵極、漏極、源極所在的半導體的塊體。通常體端和一個電路中最高或最低的電壓相連，根據類型不同而不同。體端和源極有時連在一起，因為有時源也連在電路中最高或最低的電壓上。當然有時一些電路中FET並沒有這樣的結構，比如級聯傳輸電路和串疊式電路。

柵極電壓對電流的影響

圖2 計算機仿真展現的納米線MOSFET中反型溝道的形成

圖2 中顯示的是電子密度的變化。閾值電壓在0.45V左右。

FET通過影響導電溝道的尺寸和形狀，控制從源到漏的電子流（或者空穴流）。溝道是由（是否）加在柵極和源極的電壓而創造和影響的（為了討論的簡便，這默認體和源極是相連的）。導電溝道是從源極到漏極的電子流。

耗盡模式

在一個n溝道"耗盡模式"器件，一個負的柵源電壓將造成一個耗盡區去拓展寬度，自邊界侵占溝道，使溝道變窄。如果耗盡區擴展至完全關閉溝道，源極和漏極之間溝道的電阻將會變得很大，FET就會像開關一樣有效的關閉（如右圖所示，當柵極電壓很低時，導電溝道幾乎不存在）。類似的，一個正的柵源電壓將增大溝道尺寸，而使電子更易流過（如右圖所示，當柵極電壓足夠高時，溝道導通）。

增強模式

相反的，在一個n溝道"增強模式"器件中，一個正的柵源電壓是製造導電溝道所必需的，因為它不可能在電晶體中自然的存在。正電壓吸引了體中的自由移動的電子向柵極運動，形成了導電溝道。但是首先，充足的電子需要被吸引到柵極的附近區域去對抗加在FET中的摻雜離子；這形成了一個沒有運動載流子的被稱為耗盡區的區域，這種現象被稱為FET的閾值電壓。更高的柵源電壓將會吸引更多的電子通過柵極，則會製造一個從源極到漏極的導電溝道；這個過程叫做"反型"。

特點

具有輸入電阻高（108～109Ω）、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。

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。即金屬-氧化物-半導體型場效應管，英文縮寫為MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor），屬於絕緣柵型。其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化矽絕緣層，因此具有很高的輸入電阻（最高可達1015Ω）。它也分N溝道管和P溝道管，符號如右圖所示。通常是將襯底（基板）與源極S接在一起。根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指：當VGS=0時管子是呈截止狀態，加上正確的VGS後，多數載流子被吸引到柵極，從而“增強”了該區域的載流子，形成導電溝道。耗盡型則是指，當VGS=0時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉向截止。

以N溝道為例，它是在P型矽襯底上製成兩個高摻雜濃度的源擴散區N+和漏擴散區N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內部連通，二者總保持等電位。右圖（a）符號中的前頭方向是從外向電，表示從P型材料（襯底）指身N型溝道。當漏接電源正極，源極接電源負極並使VGS=0時，溝道電流（即漏極電流）ID=0。隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在兩個擴散區之間就感應出帶負電的少數載流子，形成從漏極到源極的N型溝道，當VGS大於管子的開啟電壓VTN（一般約為+2V）時，N溝道管開始導通，形成漏極電流ID。MOS場效應管比較“嬌氣”。這是由於它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，極易受外界電磁場或靜電的感應而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。因此了廠時各管腳都絞合在一起，或裝在金屬箔內，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷。管子不用時，全部引線也應短接。在測量時應格外小心，並採取相應的防靜電措施。

圖3 PN結結構

檢測方法

下面介紹檢測方法。

1．準備工作測量之前，先把人體對地短路後，才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導線與大地連通，使人體與大地保持等電位。再把管腳分開，然後拆掉導線。

2．判定電極將萬用表撥於R×100檔，首先確定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大，證明此腳就是柵極G。交換表筆重測量，S-D之間的電阻值應為幾百歐至幾千歐，其中阻值較小的那一次，黑表筆接的為D極，紅表筆接的是S極。日本生產的3SK系列產品，S極與管殼接通，據此很容易確定S極。

電子管柵極的檢測：

1．以額定電壓點亮燈絲並預熱數十秒。

2．萬用表置於Rx100檔，以黑表筆接觸柵極，紅表筆接觸陰極。如果出現一個穩定的示數，則證明電子管基本是正常的。相同條件下同新管測得的數值進行比較可以大致得出管子的老化程度。