结型场效应管分类及结构
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(JFET)的结构和工作原理
结型场效应管（ＪＦET)得结构与工作原理1、JＦET得结构与符号Ｎ沟道JFEＴP沟道ＪFET２、工作原理（以N沟道JFEＴ为例)N沟道JFET工作时,必须在栅极与源极之间加一个负电压-—VＧS＜0,在D－S间加一个正电压——V DS＞0、栅极—沟道间得PN结反偏，栅极电流ｉG≈０,栅极输入电阻很高(高达10７Ω以上).Ｎ沟道中得多子(电子)由S向D运动,形成漏极电流iＤ。
i D得大小取决于ＶDS得大小与沟道电阻。
改变ＶGS可改变沟道电阻，从而改变i D。
主要讨论V GS对i D得控制作用以及VＤS对iＤ得影响。
①栅源电压ＶGS对i D得控制作用当VＧS〈0时，PN结反偏,耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，IＤ减小；ＶＧS更负时，沟道更窄，I D更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，IＤ≈０。
这时所对应得栅源电压V GS称为夹断电压VＰ。
②漏源电压ＶDS对i D得影响在栅源间加电压V GS<０，漏源间加正电压ＶDS > 0。
则因漏端耗尽层所受得反偏电压为V GD＝V GＳ-V DS，比源端耗尽层所受得反偏电压V GS大，(如:VＧS=-2V, V DS =3V，V P=－９Ｖ,则漏端耗尽层受反偏电压为V GD＝—5V,源端耗尽层受反偏电压为－2V）,使靠近漏端得耗尽层比源端宽,沟道比源端窄,故V DS对沟道得影响就是不均匀得,使沟道呈楔形。
当V DS增加到使VＧD=ＶGS－VＤS＝V P时,耗尽层在漏端靠拢,称为预夹断。
当V DＳ继续增加时，预夹断点下移，夹断区向源极方向延伸。
由于夹断处电阻很大,使ＶDＳ主要降落在该区，产生强电场力把未夹断区得载流子都拉至漏极,形成漏极电流IＤ.预夹断后I D基本不随VＤＳ增大而变化。
①V GＳ对沟道得控制作用当V GS<0时,PＮ结反偏→耗尽层加厚→沟道变窄。
VＧＳ继续减小，沟道继续变窄.当沟道夹断时，对应得栅源电压V GS称为夹断电压V P(或VＧS(ｏff) ）.对于N沟道得ＪFＥＴ,ＶＰ〈0.②V DS对沟道得控制作用当ＶGS=0时,V DＳ→ＩD., G、D间PN结得反向电压增加，使靠近漏极处得耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。
结型场效应管
晶体管工作在放大区时，输入回路 PN 结正偏，输入阻抗小， 且是一个电流控制的有源器件。
场效应管也是一种具有 PN 结的正向受控作用的有源器件， 它是利用电场效应来控制输出电流的大小，其输入端 PN 结一 般工作于反偏状态或绝缘状态。输入电阻很高。
场效应管根据结型场效应管 (JFET) 输入阻抗
沟道电阻 ID基本不变
4.1结型 场效应管
综上分析可知
• 沟道中只有一种类型的多数载流子参与导电， 所以场效应管也称为单极型三极管。
• JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因 此iG0，输入电阻很高。 • JFET是电压控制电流器件，iD受vGS控制 • 预夹断前iD与vDS呈近似线性关系；预夹断后， iD趋于饱和。 P沟道JFET工作时，其电源极性与N沟道JFET 的电源极性相反。
4.1结型 场效应管
二、 JFET的特性曲线及参数
iD f ( vGS ) vD Sconst.
1. 转移特性
VP
vGS 2 iD I DSS (1 ) VP
(VP vGS 0)
2. 输出特性
iD f ( vDS ) vGSconst.
4.1结型 场效应管
输出特性
输出特性曲线表达以UGS为参变 量时iD与uDS的关系。根据特性曲线 的各部分特征,分为四个区域： 1)饱和区 饱和区区相当于双极型晶体管
的放大区。其主要特征为： uGS对iD的控制能力很强 ，uDS的变化对iD影响很小。 2）可变电阻区 与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对iD上升的斜 率影响较大，随着|UGS|增大，曲线斜率变小，说明JFET的输出电 阻变大。 3） 截止区 当|UGS|>|UP|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。
N沟道JFET与P沟道JFET
=(1-/Vp)的平方。 （当Vp≤≤0时）
Ⅱ区称为饱和区或恒流区。FET用作放大电路时，一般就工作在这个区域。所以又称此区为线性放大区。
Ⅲ区的特点是：当增至一定的数值后，由于加到沟道中耗尽层的电压太高，电场很强，致使栅漏间的PN结发生雪崩击穿，迅速上升，因此称它为击穿区。
进入雪崩击穿后，管子不能正常工作，甚至很快烧毁。所以，FET不允许工作在这个区域。
P沟道JFET工作时，其电源极性与N沟道JFET的电源极性相反。
4、JFET的特性曲线及参数
输出特性：JFET的输出特性是指在栅源电压一定的情况下，漏极电流与漏源电压之间的关系。管子的工作情况可分为三个区域，
在Ⅰ区内，栅源电压愈负，输出特性愈倾斜，漏源间的等效电阻愈大。因此，在此区内，FET可看作一个受栅源电压控制的可变电阻。故得名为可变电阻区。
讨论JFET的工作原理就是讨论对的控制作用和对的影响。
分析如下：
（1）对的控制作用：。。。
（2）对的影响：。。。
综上分析，可得下述结论：
①JFET栅极、沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，其≈0，输入电阻很高。
②JFET是电压控制电流器件，受控制。
③预夹断前，与呈近似线性关系；预夹断后，趋于饱和。
结型场效应管（JFET）
2009-12-22 15:05:54| 分类： 电子元器件 |举报|字号 订阅
1、定义：JFET（Junction type Field Effect Transistor）是利用半导体内的电场效应进行工作的，也称为体内场效应器件。
2、分类：按结构分：N型沟道JT为例：
N沟道JFET工作时，在栅极与源极间需加一负电压（<0）,使栅极、沟道间的PN结反偏，栅极电流≈0，场效应管呈现高达10的7次欧姆以上的输入电阻。
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
)
上页 下页
uDS
返回
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。
上页 下页 返回
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+
上页 下页 返回
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
上页 下页 返回
模拟电子技术基础
2．当uGS =0时，uDS对沟道的控制作用
场效应管
D (mA) 可变电阻区
i
uGS= 0V uGS = -1V uGS = -2V uGS= -3V
u
DS
时,iD 是 vDS 的线性函数，
管子的漏源间呈现为线
性电阻，且其阻值受 vGS
控制。 （2）管压降vDS 很小。
沟道未 夹断
用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态
的电子开关。
gm
VDS
2、 极间电容： Cgs和Cgd约为1~3pF，和 Cds约为
0.1~1pF。高频应用时，应考虑极间电容的影响。
vDS 3、 输出电阻rd：rd iD
三、极限参数
VGS
1、 最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流 的上限值。
2、 最大耗散功率 PDM ：决定于管子允许的温升。
3、当vGD< VGS(off)时，vGS对iD的控制作用
当vGD = vGS - vDS <VGS(off) 时，即vDS > vGS VGS(off) > 0，导电沟道夹断， iD 不随vDS 变化 ； 但vGS 越小，即|vGS| 越大，沟道电阻越大，对同 样的vDS ， iD 的值越小。所以，此时可以通过改变
③ 场效应管的输入电阻远大于晶体管的输入电
阻，其温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小，
但易受静电影响。
④ 场效应管的漏极和源极可以互换，而互换后 特性变化不大；晶体管的集电极和发射极互换后特 性相差很大，只有在特殊情况下才互换使用。但要 注意的是，场效应管的某些产品在出厂时，已将衬 底和源极连接在一起，此时，漏极和源极不可以互 换使用。
JFET 结型
9.2 结型场效应管
一、结型场效应管的结构
场效应管
MOS管分为四种类型：N沟道耗尽型管、N沟道增强型管、P沟道耗尽型管和 P沟道增强型管。
MOS管的特点
输入阻抗高、栅源电压可正可负、耐高温、易 集成。
N沟道增强型绝缘栅场效应管 （1）结构与符号 增强型的特点
1. 工作原理
绝缘栅场效应管利用 UGS 来控制“感应电荷”
的多少，改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的
一、结型场效应管(JFET)
1 结构与工作原理 （1）构成 结型场效应管又有N沟道和P沟道两种类型。
N沟道结型场效应管的结构示意图
结型场效应管的符号
(a)N沟道管
(b) P沟道管
（2）工作原理 N· JFET的结构及符号
在同一块N型半导体上制作两 个高掺杂的P区，并将它们连 接在一起，引出的电极称为栅 极G，N型半导体的两端引出 两个电极，一个称为漏极D， 一个称为源极S。P区与N区交 界面形成耗尽层，漏极和源极 间的非耗尽层区域称为导电沟 道。
直流输入电阻 RGS ：其等于栅源电压与栅极电流之比，结型管的 RGS 大于10^7 欧，而MOS管的大于10^9欧。
二、交流参数
1. 低频跨导 gm 用以描述栅源之间的电压 UGS 对漏极电流 ID 的控 制作用。 ΔI D gm ΔU GS U DS 常数 单位：ID 毫安(mA)；UGS 伏(V)；gm 毫西门子(mS)
绝缘栅
B端为衬底，与源极短接在一起。
N沟道耗尽型MOS管的结构与符号
（2）N沟道的形成 N沟道的形成与外电场对N沟道的影响 控制原理分四种情况讨论：
① uGS 0时，来源于外电场UGS正极的正电荷使SiO2中原有的正电荷数目增加， 由于静电感应，N沟道中的电子随之作同等数量的增加，沟道变宽，沟道电阻减 小，漏电流成指数规律的增加。
场效应管(建议看)
0V –1V –2V uGS = – 3 V
uDS
IDSS
可 变 电 阻 区
预夹断轨迹，uGD＝UGS（off）
恒 流 区
击 穿 区
i D gm U GS
夹断电压
夹断区（截止区）
夹断电压为负
∴栅源电压越负，电流iD越小。
①夹断区： i D 0 UGS<UGS(off) ②可变电阻区(预夹断轨迹左边区域）：
之间的函数关系，即
iD f (uGS ) |U DS 常数
N沟道结型场效应管UGS=0时，存在导电沟道，电流最大；
栅源之间加负向电压UGS＜0直至沟道消失，电流为零。
UGS=0V -1V -2V -3V 夹断电压
U GS ( off ) 0
栅源电压越负，电流越小 恒流区条件：
U GS U GS (off )
3、特性曲线与电流方程
转移特性 输出特性曲线
N沟道增强型MOS管在UGS=0时，无导电沟道，电流为零。
UGS加正向电压至开启电压后，电流随UGS的增大而增大。
VDS 为正的
6V 5V 4V 3V 开启电压
U GS ( th ) 0
栅源电压越正，电流越大 恒流区条件：
U GS U GS (th )
增强型N沟道
耗尽型N沟道
增强型P沟道 耗尽型P沟道
说明：
1、栅极用短线和沟道隔开，表示绝缘栅； 2、箭头：由P区指向N区； 3、虚线：增强型MOS管； 实线：耗尽型MOS管。
二、N沟道增强型MOS管的工作原理
在通常情况下，源极一般都与衬底相连，即UBS=0。 为保证N沟道增强型MOS管正常工作，应保证： ① UGS=0时，漏源之间是两只背向的PN结，不管UDS 极性 如何，其中总有一个PN结反偏，所以不存在导电 沟道。UGS必须大于0（UGS>0）管子才能工作。 ②漏极对源极的电压UDS必须为正值(UDS>0)。这样在漏 极电压作用下，源区电子沿导电沟道行进到漏区，产 生自漏极流向源极的电流。
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。