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1、4. 场效应管晶体管及其电路,4.1场效应管,场效应管（FET）的特点 场效应管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件。其特点是控制端基本上不需要电流，属电压控制器件。它在工作过程中起主要导电作用的是多数载流子，而在半导体三极管的工作过程中，管子内部的多数载流子和少数载流子都起着导电作用。据此，又称场效应管为单极型晶体管，称半导体三极管为双极型晶体管。,2. 场效应管分类 按结构和控制电场的形式不同，场效应管分为结型和绝缘栅型；按工作方式，又分为增强型和耗尽型。由于结构和工作原理的特点，结型场效应管只有耗尽型；按导电沟道掺杂类型不同，可分为N沟道和P沟道。,4.1场效应管,场效应管（FET）
2、,结型场效应管（JFET）,绝缘栅型场效应管（IGFET）,增强型,耗尽型,4.2 结型场效应管,3. 结型场效应管的结构 在一块N型半导体材料两边，扩散高浓度的P型区（用P+表示），形成两个PN结。两边P+型区引出两个电极并联在一起称为栅极g，在N型本体材料的两端个引出一个电极，分别为源极s和漏极d。相当于晶体管的基极、发射极和集电极。两个PN结中间的N型区域称为导电沟。这就是N型沟道结型场效应管。,结构示意图,代表符号,4. 结型场效应管的工作原理 以N沟道结型场效应管为例 (1) 当vDS = 0时，若0 vGS VP （栅极对应的夹断电压），| vGS |增加使PN结耗尽层宽度增加，导
3、电沟道变窄，沟道电阻增大，导电能力减弱；,4.2 结型场效应管,4. 结型场效应管的工作原理 若 vGS VP ,上、下耗尽层彼此相遇，导电沟道消失，称为“夹断”,4.2 结型场效应管,(2) 当vGS = 0时， vDS的变化也可以改变沟道的宽度和漏极电流iD。若0 vDS | VP |时，iD从漏极D流入，经沟道从源极S流出，故越靠近漏极，耗尽层两边的反向偏压值越大，沟道的宽度越窄。在这种情况下，随着vDS的增大， iD几乎呈线性增加，场效应管工作于可变电阻区； 而当vDS | VP |时，在最右端靠近漏极处首先出现上、下耗尽层几乎相遇，称为“预夹断”，并随着的vDS增大，预夹断区往左扩展
4、，沟道电阻明显增大，使iD几乎不再增加，如同漏极电流已饱和，管子工作在恒流区，即饱和区或放大区。,(3) 当0 vGS VP ， vDS 0时，两者均起着影响沟道宽度的作用，对iD有控制作用。 vDG | VP |时，场效应管工作于可变电阻区；vDG | VP |时，沟道出现预夹断，场效应管工作于放大区。 (4) 当vGS VP ， vDS 0时，即使在栅极与沟道间反向电压最小处（即靠近源极处），反向电压已达到或超过了 | VP |，故沟道全部夹断，iD = 0，场效应管工作于截止区。,5. 绝缘栅型场效应管的结构 N沟道增强型MOSFET 以一块掺杂浓度较低，电阻率较高的P型半导体薄片作为衬
5、底，利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区。然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅的表面及N+型区的表面上分别安置三个铝电极栅极g、源极s和漏极d，就成了N沟道MOS管。 由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极。,4.3 绝缘栅型场效应管,N沟道增强型符号,N沟道耗尽型符号,6. 绝缘栅型场效应管的工作原理 绝缘栅型场效应管多采用金属铝作栅极，用SiO2作为栅极与半导体间的绝缘层，这种管子称为金属-氧化物-半导体场效应晶体管，缩写为MOSFET，简称为MOS管。下面以N沟道为例，讨论其工作原理。,增强型MOSFET： (1) 当vDS =0， 0 vGS VT
6、时， SiO2绝缘层中有垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场，它排斥空穴而在栅极处的SiO2层下形成耗尽层。,(2) 当vDS =0， vGS VT时，绝缘层中的电场强度随vGS增大而增强，已能吸引衬底P型半导体中的足够多的少子，形成反型层，它连接源极和漏极的N+半导体，建立导电沟道。,(3) 当vDS0， vGSVT时，沟道从左道右，栅极与沟道间电压不一样，沟道宽度也不同。当vGDVT时，管子工作于可变电阻区；当vGDVT (即vGD vGSVT)时，靠近漏极处沟道出现预夹断，且随着vDS的进一步增大，预夹断区往源极延伸，管子工作于恒流区。,(4) 当vDS0， vGSVT时，沟道全夹
7、断，iD= 0，管子工作于截止区。,当vGSVP时，沟道全夹断，管子工作于截止区。管子沟道产生预夹断时vGDVP ，即vGDvGSVP 。 (2) 由于栅极与衬底之间有绝缘层，所以耗尽型MOSFET的vGS可“正”、可“负”。这一点不同于结型场效应管（也属耗尽型），因为结型场效应管的vGS极性必须保证使栅极与沟道间的PN结为反向偏置，所以N沟道结型场效应管的vGS不能大于零，而P沟道结型场效应管的vGS不能小于零。,耗尽型MOSFET： (1) 耗尽型MOSFET在制造时，已经在栅极下的SiO2绝缘层中，掺入一定数量的正离子（P沟道为负离子），它也产生垂直指向衬底的电场，故在0 vGSVP（N沟道的VP为负值）情况下，已有导电沟道，工作原理如同增强型在vGSVP时的一样。,
