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结型场效应管p沟道的工作原理
结型场效应管p沟道的工作原理
摘要：
1.结型场效应管的简介
2.结型场效应管p 沟道的工作原理
3.结型场效应管p 沟道的应用
4.结型场效应管p 沟道的优缺点
正文：
结型场效应管是一种半导体器件，它利用多数载流子导电，故又称单极型半导体器件。
由于它仅有一个电极（基极），所以称为结型场效应管（junction,fet）。
场效应管的结构包括源极、漏极和栅极三部分。
源极是工作电流的来源；漏级为输入端；栅级为输出端，栅压的大小取决于输入电压的大小，通常由外加电压控制其通断状态。
结型场效应管p 沟道的工作原理主要是通过空穴的移动形成电流。
在p 沟道中，空穴是多数载流子，当栅极施加正向电压时，空穴被吸引到栅极附近，形成导电通道。
此时，源极的空穴流向漏极，形成电流。
当栅极电压为负时，空穴被排斥，导电通道消失，电流停止流动。
结型场效应管p 沟道广泛应用于放大电路、开关电路和振荡电路等。
例如，在放大电路中，结型场效应管可以作为放大元件，将输入信号的幅度放大；在开关电路中，结型场效应管可以作为开关元件，实现电路的通断；在振荡电路中，结型场效应管可以作为振荡元件，产生稳定的振荡信号。
结型场效应管
P
O
VGS /V
若| VUS | 阻挡层宽度 耗尽层中负离子数
因VGS不变（G极正电荷量不变） 表面层中电子数 ID
根据衬底电压对ID的控制作用，又称U极为背栅极。
P沟道EMOS管
+VDS -
S +VGS- G
D
U
N+
P+
P+
D ID
U G
N
S
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 不同之处：电路符号中的箭头方向相反。
VDS /V
转移特性曲线中,ID =0 时对应的VGS值,即开启电 压VGS（th） 。
衬底效应
集成电路中，许多MOS管做在同一衬底上，为保证U与S、D
之间PN结反偏，衬底应接电路最低电位（N沟道）或最高电
位（P沟道）。
- VD+S
U -VU+S S -VG+S G
D
P+
N+
N+
ID/mA VUS = 0
3.1 MOS场效应管
MOSFET
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS）
耗尽型（DMOS） P沟道（PMOS）
N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不 同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因 此导致加在各极上的电压极性相反。
3.1.1 增强型MOS场效应管
➢ NEMOS管输出特性曲线
非饱和区
ID/mA
沟道预夹断前对应的工作区。
VDS = VGS –VGS(th)
条件： VGS > VGS(th) V DS < VGS–VGS(th)
结型场效应管及其放大电路
－
UGG ＋
ID
D
＋
G －P
N
P UDS
UGS
＋
S
－
＋ UDD
－
二、结型场效应管
1）UGS对导电沟道的影响
（ 1 ） 当 UGS ＝ ０ 时 ， 场 效 应 管 两 侧 的 PN 结均处于零偏置， 形成两个耗尽层,如 图（ａ）所示。此 时耗尽层最薄，导 电沟道最宽，沟道 电阻最小。
二、结型场效应管
二、结型场效应管
3）UDS和UGS 共同作用的情况：
设漏源间加有电压UDS： 当UGS变化时，电流ID将随沟道电阻的变化而变化。
（1）当UGS=0时，沟道电阻最小，电流ID最大。
（2）当|UGS|值增大时，耗尽层变宽，沟道变窄， 沟道电阻变大，电流ID减小， 直至沟道被耗尽层夹断，ID=0。
（ 3 ） 当 0<UGS<UGS(off) 时 ， 电流ID在 零和最 大值之间 变化。改变栅源电压UGS的 大小，能引起管内耗尽层 宽度的变化，从而控制了 电流ID的 大小 。 场效应管 和三极管一样，可看作是 受控电流源，但它是一种 电压控制的电流源。
（2）恒流区（或线性放大区）。图 3.29中间部分是恒流区，在此区域ID不 随UDS的增加而增加，而是随着UGS的 增大而增大，输出特性曲线近似平行
于UDS轴，ID受UGS的控制，表现出
ID /
可
mA
预夹断轨迹
变
电 5阻
4区
恒流区
3
UGS＝ 0 －1 V
2
－2 V
1
－ 3 .4V
0
10
20
夹断区
UDS / V
一、场效应管概述
2、符号：
结型场效应管
模拟电子技术基础
(2) 放大区 a. 沟道预夹断 b. uDS≥ |UGS(off)| + uGS c. iD几乎与uDS无关
iD / mA 6 4 2
uDSuGSUGS (off) uGS0V 0.5V 1.0V
放大区1.5V
2.0V
uGSUGS(off)
0
10
20 uDS / V
iD IDS(S1UuGGSS(o)f2f)
称为零偏漏极电流 I i DSS
D
uG S0V uDSUG
S(
off
)
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uDS
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模拟电子技术基础
3.1.4 结型场效应管的主要电参数 1．直流参数
(1) 夹断电压UGS(off)
U u GS(offG ) S U ID D 测 S常试 (数 (15V 0μ 值 0) )A
uDS
曲线特点
(1) 对于不同的uDS，对应的转移特性曲线不同。
(2) 当管子工作于恒流区时，转移特性曲线基本重合。
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模拟电子技术基础
iD iD
I DSS
uGS0V uGS1 uGS2 uGS3 uGS4
uGS(off)
uGS3 uGS1 uGS1 O uGS O
当管子工作于恒流区时
(b) 导电沟 道夹断
UGS(off)——
N
栅源截止电压或
夹断电压
PP+ +
N型导电沟道
P+
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模拟电子技术基础
当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示
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模拟电子技术基础
2．当uGS =0时，uDS对沟道的控制作用
什么是结型场效应管
什么是结型场效应管场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。
它不仅具有双极型三极管的体积小,重量轻,耗电少,寿命长等优点,而且还具有输入电阻高,热稳定性好,抗辐射能力强,噪声低,制造工艺简单,便于集成等特点.因而,在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用.根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类: 结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。
在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区（N区一般做得很薄），形成了两个PN结。
在N区的两端各做一个欧姆接触电极，在两个P区上也做上欧姆电极，并把这两个P 区连起来，就构成了一个场效应管。
从N型区引出的两个电极分别为源极S和漏极D，从两个P区引出的电极叫栅极G，很薄的N区称为导电沟道。
结型场效应管分类：N沟道和P沟道两种。
如下图所示为N沟道管的结构和符号。
如右图所示为N沟道结型场效应管的结构示意图。
N沟道结型场效应管正常工作时，在漏-源之间加正向电压，形成漏极电流。
<0，耗尽层承受反向电压，既保证栅-源之间内阻很高，又实现对沟道电流的控制。
★=0时，对导电沟道的控制作用，如下图所示。
◆=0时，=0，耗尽层很窄，导电沟道很宽。
◆│增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，沟道电阻增大。
◆│增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，沟道电阻趋于无穷大，称此时的值为夹断电压。
★为~0中某一固定值时，对漏极电流的影响▲=0，由所确定的一定宽的导电沟道，但由于d-s间电压为零，多子不会产生定向移动，=0。
▲>0，有电流从漏极流向源极，从而使沟道各点与栅极间的电压不再相等，沿沟道从源极到漏极逐渐增大，造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽。
如下图（a）所示。
▲从零逐渐增大时，=- 逐渐减小，靠近漏极一边的导电沟道随之变窄。
电流随线性增大。
▲增大，使=，漏极一边耗尽层出现夹断区，称=为预夹断。
▲继续增大，<，夹断区加长。
结型场效应管
结型场效应管结型场效应管（JFET）是一种常用的场效应管。
它是由一对PN结构组成的，可以分为N型JFET和P型JFET两种类型。
JFET通常用作信号放大器或开关，具有高输入阻抗和低输出电阻等优点，在电子设备中得到广泛应用。
结构和工作原理JFET的结构包括了沟道和栅极，通常由半导体材料构成。
当增加栅极电压时，栅极和沟道之间的势垒宽度会发生变化，从而调节沟道中的载流子数量。
当栅极电压增加时，势垒减小，使得沟道中的载流子数量增加，从而增大导通电流；相反，当栅极电压减小时，势垒增加，导致导通电流减小。
因此，通过调节栅极电压，可以实现对JFET的控制。
N型JFETN型JFET的沟道是由N型半导体材料构成，栅极电压使沟道中的电荷密度发生变化。
当栅极与源极之间的电压为负值时，JFET处于截止状态，沟道截断，导通电流几乎为零；当栅极与源极之间的电压为正值时，JFET处于放大状态，沟道导通，导通电流增加。
P型JFETP型JFET的沟道是由P型半导体材料构成，与N型JFET相反，当栅极与源极之间的电压为负值时，P型JFET处于放大状态，沟道导通；当栅极与源极之间的电压为正值时，P型JFET处于截止状态，导通电流几乎为零。
应用领域JFET广泛应用于各种电子设备中，例如放大器、滤波器、振荡器和电压控制器等。
由于JFET具有高输入电阻和低输出电阻的特性，适合用作信号放大器。
此外，JFET还可以作为电子开关，用于控制电路的通断或信号的调节。
结型场效应管是一种重要的场效应管，在电子技术领域具有重要的应用价值。
通过对JFET的结构和工作原理进行深入了解，可以更好地应用它在电子设备中，实现各种功能的设计和控制。
结型场效应管
结型场效应管如图XX_01(a)所示，在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P型区（用P+表示），就形成两个不对称的P+N结。
把两个P+区并联在一起，引出一个电极，称为栅极（g），在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极（s）和漏极（d）。
它们分别与三极管的基极（b）、发射极（e）和集电极（c）相对应。
夹在两个P+N结中间的N区是电流的通道，称为导电沟道（简称沟道）。
这种结构的管子称为N沟道结型场效应管，它在电路中用图XX_01(b)所示的符号表示，栅极上的箭头表示栅、源极间P+N结正向偏置时，栅极电流的方向（由P区指向N区）。
实际的JFET结构和制造工艺比上述复杂。
N沟道JFET的剖面图如图XX_01(c)所示。
图中衬底和中间顶部都是P+型半导体，它们连接在一起（图中未画出）作为栅极g。
分别与源极s和漏极d相连的N+区，是通过光刻和扩散等工艺来完成的隐埋层，其作用是为源极s、漏极d提供低阻通路。
三个电极s、g、d分别由不同的铝接触层引出。
如果在一块P 型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N +区，就可以制成一个P 沟道的结型场效应管。
图XX_02给出了这种管子的结构示意图和它在电路中的代表符号。
由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。
N 沟道和P 沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N 沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。
N 沟道结型场效应管工作时，也需要外加如图XX_01所示的偏置电压，即在栅极与源极间加一负电压(v GS ＜0)，使栅、源极间的P +N 结反偏，栅极电流i G ≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108 左右)。
在漏极与源极间加一正电压(v DS ＞0)，使N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流i D 。
i D 的大小主要受栅源电压v GS 控制，同时也受漏源电压v DS 的影响。
因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅源电压v GS 对漏极电流i D （或沟道电阻）的控制作用，以及漏源电压v DS 对漏极电流i D 的影响1．v GS 对i D 的控制作用图XX_02所示电路说明了v GS 对沟道电阻的控制作用。
结型场效应管及其放大电路
一、场效应管概述
4、场效应管的测试
1、结型场效应管的管脚识别： 场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于 R×1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数KΩ 时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管， 另外一极是屏蔽极（使用中接地）。 2、判定栅极 用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小，说明均是 正向电阻，该管属于N沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。 制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以 区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。 注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小， 测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。 3、估测场效应管的放大能力 将万用表拨到R×100档，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压。这时 表针指示出的是D-S极间电阻值。然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的 放大作用，UDS和ID都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手 捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。 由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极 时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数的管子RDS减小，使表针向右摆动，多数管子的RDS增大，表针向 左摆动。无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。 本方法也适用于测MOS管。为了保护MOS场效应管，必须用手握住螺钉旋具绝缘柄，用金属杆去碰栅极，以防止 人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。 MOS管每次测量完毕，G-S结电容上会充有少量电荷，建立起电压UGS，再接着测时表针可能不动，此时将 G-S极间短路一下即可。
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1、结型场效应管的管脚识别
场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。
将万用表置于R×1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。
当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数KΩ时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。
对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。
2、判定栅极（红表笔接表内电池的负极，黑表笔接表内电池的正极）
用万用表黑表笔碰触管子的栅极，红表笔分别碰触另外两个电极。
若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于N沟道场效应管。
制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。
若要区分，则可根据在源—漏之间有一个PN结，通过测量PN结正、反向电阻存在差异，识别S极与D极。
将万用表拨到R×100档，用交换表笔法测两次电阻，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压，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。
注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。
因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。
3、估测场效应管的放大能力
将万用表拨到R×100档，相当于给场效应管加上1.5V的
电源电压。
这时表针指示出的是D-S极间电阻值。
然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。
由于管子的放大作用，UDS 和ID都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。
如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。
由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。
少数的管子RDS减小，使表针向右摆动，多数管子的RDS增大，表针向左摆动。
无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。
本方法也适用于测MOS管。
为了保护MOS场效应管，必须用手握住金属杆，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。
MOS管每次测量完毕，G-S结电容上会充有少量电荷，建立起电压UGS，再接着测时表针可能不动，此时将G-S极间短路一下即可。