场效应管特性

根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件

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1.概念:

场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.

特点:

具有输入电阻高（100000000～1000000000Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者.

作用:

场效应管可应用于放大.由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器.

场效应管可以用作电子开关.

场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换.常用于多级放大器的输入级作阻抗变换.场效应管可以用作可变电阻.场效应管可以方便地用作恒流源.

2.场效应管的分类:

场效应管分结型、绝缘栅型(MOS)两大类

按沟道材料:结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种.

按导电方式:耗尽型与增强型,结型场效应管均为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有耗尽型的,也有增强型的。

场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管,而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类.见下图:

3.场效应管的主要参数:

Idss —饱和漏源电流.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流.

Up —夹断电压.是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压.

Ut —开启电压.是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压.

gM —跨导.是表示栅源电压UGS —对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值.gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数.

BVDS —漏源击穿电压.是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压.这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BVDS.

PDSM —最大耗散功率,也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率.使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量.

IDSM —最大漏源电流.是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流.场效应管的工作电流不应超过IDSM

Cds---漏-源电容

Cdu---漏-衬底电容

Cgd---栅-源电容

Cgs---漏-源电容

Ciss---栅短路共源输入电容

Coss---栅短路共源输出电容

Crss---栅短路共源反向传输电容

D---占空比（占空系数，外电路参数）

di/dt---电流上升率（外电路参数）

dv/dt---电压上升率（外电路参数）

ID---漏极电流（直流）

IDM---漏极脉冲电流

ID(on)---通态漏极电流

IDQ---静态漏极电流（射频功率管）

IDS---漏源电流

IDSM---最大漏源电流

IDSS---栅-源短路时，漏极电流

IDS(sat)---沟道饱和电流（漏源饱和电流）IG---栅极电流（直流）

IGF---正向栅电流

IGR---反向栅电流

IGDO---源极开路时，截止栅电流

IGSO---漏极开路时，截止栅电流

IGM---栅极脉冲电流

IGP---栅极峰值电流

IF---二极管正向电流

IGSS---漏极短路时截止栅电流

IDSS1---对管第一管漏源饱和电流

IDSS2---对管第二管漏源饱和电流

Iu---衬底电流

Ipr---电流脉冲峰值（外电路参数）

gfs---正向跨导

Gp---功率增益

Gps---共源极中和高频功率增益

GpG---共栅极中和高频功率增益

GPD---共漏极中和高频功率增益

ggd---栅漏电导

gds---漏源电导

K---失调电压温度系数

Ku---传输系数

L---负载电感（外电路参数）

LD---漏极电感

Ls---源极电感

rDS---漏源电阻

rDS(on)---漏源通态电阻

rDS(of)---漏源断态电阻

rGD---栅漏电阻

rGS---栅源电阻

Rg---栅极外接电阻（外电路参数）

RL---负载电阻（外电路参数）

R(th)jc---结壳热阻

R(th)ja---结环热阻

PD---漏极耗散功率

PDM---漏极最大允许耗散功率

PIN--输入功率

POUT---输出功率

PPK---脉冲功率峰值（外电路参数）

to(on)---开通延迟时间

td(off)---关断延迟时间

ti---上升时间

ton---开通时间

toff---关断时间

tf---下降时间

trr---反向恢复时间

Tj---结温

Tjm---最大允许结温

Ta---环境温度

Tc---管壳温度

Tstg---贮成温度

VDS---漏源电压（直流）

VGS---栅源电压（直流）

VGSF--正向栅源电压（直流）

VGSR---反向栅源电压（直流）

VDD---漏极（直流）电源电压（外电路参数）

VGG---栅极（直流）电源电压（外电路参数）

Vss---源极（直流）电源电压（外电路参数）

VGS(th)---开启电压或阀电压

V（BR）DSS---漏源击穿电压

V（BR）GSS---漏源短路时栅源击穿电压

VDS(on)---漏源通态电压

VDS(sat)---漏源饱和电压

VGD---栅漏电压（直流）

Vsu---源衬底电压（直流）

VDu---漏衬底电压（直流）

VGu---栅衬底电压（直流）

Zo---驱动源内阻

η---漏极效率（射频功率管）

Vn---噪声电压

aID---漏极电流温度系数

ards---漏源电阻温度系数

4.结型场效应管的管脚识别:

判定栅极G:将万用表拨至R×1k档,用万用表的负极任意接一电极,另一只表笔依次去接触其余的两个极,测其电阻.若两次测得的电阻值近似相等,则负表笔所接触的为栅极,另外两电极为漏极和源极.漏极和源极互换,若两次测出的电阻都很大,则为N沟道;若两次测得的阻值都很小,则为P沟道.

判定源极S、漏极D:

在源-漏之间有一个PN结,因此根据PN结正、反向电阻存在差异,可识别S极与D极.用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,红表笔接D极.

5.场效应管与晶体三极管的比较

场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件.在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管.

晶体三极管与场效应管工作原理完全不同，但是各极可以近似对应以便于理解和设计：

晶体管：基极发射极集电极

场效应管：栅极源极漏极

要注意的是，晶体管设计发射极电位比基极电位低(约0.6V)，场效应管源极电位比栅极电位高（约0.4V)。

场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电,被称之为双极型器件.

有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好.

场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用.

一、场效应管的结构原理及特性场效应管有结型和绝缘栅两种结构，每种结构又有N沟道和P沟道两种导电沟道。

1、结型场效应管（JFET）

（1）结构原理它的结构及符号见图1。在N型硅棒两端引出漏极D和源极S两个电极，又在硅棒的两侧各做一个P区，形成两个PN结。在P区引出电极并连接起来，称为栅极Go这样就构成了N型沟道的场效应管

图1、N沟道结构型场效应管的结构及符号

由于PN结中的载流子已经耗尽，故PN基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，从图1中可见，当漏极电源电压ED一定时，如果栅极电压越负，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，ID变大，所以用栅极电压EG可以控制漏极电流ID的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。

（2）特性曲线

1）转移特性

图2（a）给出了N沟道结型场效应管的栅压---漏流特性曲线，称为转移特性曲线，它和电子管的动态特性曲线非常相似，当栅极电压VGS=0时的漏源电流。用IDSS表示。VGS变负时，ID逐渐减小。ID接近于零的栅极电压称为夹断电压，用VP表示，在0≥VGS≥VP的区段内，ID与VGS的关系可近似表示为：

ID=IDSS（1-|VGS/VP|）

其跨导gm为：gm=（△ID/△VGS）|VDS=常微（微欧）|

式中：△ID------漏极电流增量（微安）

------△VGS-----栅源电压增量（伏）

图2、结型场效应管特性曲线

2）漏极特性（输出特性）

图2(b)给出了场效应管的漏极特性曲线，它和晶体三极管的输出特性曲线很相似。

①可变电阻区（图中I区）在I区里VDS比较小，沟通电阻随栅压VGS而改变，故称为可变电阻区。当栅压一定时，沟通电阻为定值，ID随VDS近似线性增大，当VGS＜VP时，漏源极间电阻很大（关断）。IP=0；当VGS=0时，漏源极间电阻很小（导通），ID=IDSS。这一特性使场效应管具有开关作用。

②恒流区（区中II区）当漏极电压VDS继续增大到VDS＞|VP|时，漏极电流，IP达到了饱和值后基本保持不变，这一区称为恒流区或饱和区，在这里，对于不同的VGS漏极特性曲线近似平行线，即ID与VGS 成线性关系，故又称线性放大区。

③击穿区（图中Ⅲ区）如果VDS继续增加，以至超过了PN结所能承受的电压而被击穿，漏极电流ID突然增大，若不加限制措施，管子就会烧坏。

2、绝缘栅场效应管

它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属---氧化物---半导体场效应管，简称MOS场效应管。（1）结构原理

它的结构、电极及符号见图3所示，以一块P型薄硅片作为衬底，在它上面扩散两个高杂质的N型区，作为源极S和漏极D。在硅片表覆盖一层绝缘物，然后再用金属铝引出一个电极G（栅极）由于栅极与其它电极绝缘，所以称为绝缘栅场面效应管。

图3、N沟道（耗尽型）绝缘栅场效应管结构及符号

在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

场效应管的式作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型，当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。

（2）特性曲线

1）转移特性（栅压----漏流特性）

图4（a）给出了N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的转移行性曲线，图中Vp为夹断电压（栅源截止电压）；IDSS 为饱和漏电流。

图4（b）给出了N沟道增强型绝缘栅场效管的转移特性曲线，图中Vr为开启电压，当栅极电压超过VT 时，漏极电流才开始显著增加。

2）漏极特性（输出特性）

图5（a）给出了N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的输出特性曲线。

图5(b)为N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线。

图4、N沟道MOS场效管的转移特性曲线

图5、N沟道MOS场效应管的输出特性曲线

此外还有N衬底P沟道（见图1）的场效应管，亦分为耗尽型号增强型两种，

各种场效应器件的分类，电压符号和主要伏安特性（转移特性、输出特性）二、场效应管的主要参数

1、夹断电压VP

当VDS为某一固定数值，使IDS等于某一微小电流时，栅极上所加的偏压VGS就是夹断电压VP。

2、饱和漏电流IDSS

在源、栅极短路条件下，漏源间所加的电压大于VP时的漏极电流称为IDSS。

3、击穿电压BVDS

表示漏、源极间所能承受的最大电压，即漏极饱和电流开始上升进入击穿区时对应的VDS。

4、直流输入电阻RGS

在一定的栅源电压下，栅、源之间的直流电阻，这一特性有以流过栅极的电流来表示，结型场效应管的RGS 可达1000000000欧而绝缘栅场效应管的RGS可超过10000000000000欧。

5、低频跨导gm

漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压微数变量之比，称为跨导，即

gm= △ID/△VGS

它是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个参数，也是衡量放大作用的重要参数，此参灵敏常以栅源电压变化1伏时，漏极相应变化多少微安（μA/V）或毫安（mA/V）来表示