结型场效应管的结构和类型
场效应管原理
场效应管原理来源：互联网作者：关键字：场效应管原理场效应管是较新型的半导体材料，利用电场效应来控制晶体管的电流，因而得名。
它的外型也是一个三极管，因此又称场效应三极管。
它只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。
从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。
从场效应三极管的结构来划分，它有结型场效应三极管和绝缘栅型场效应三极管之分。
1.结型场效应三极管(1) 结构N沟道结型场效应三极管的结构如图1所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。
两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。
图1结型场效应三极管的结构(2) 工作原理以N沟道为例说明其工作原理。
当UGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。
当UGS<0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，UGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。
当漏极电流为零时所对应的栅源电压UGS称为夹断电压UGS(off)。
(3)特性曲线结型场效应三极管的特性曲线有两条，一是输出特性曲线(ID=f(UDS)|UGS=常量),二是转移特性曲线(ID=f(UGS)|UDS=常量)。
N沟道结型场效应三极管的特性曲线如图2所示。
(a) 漏极输出特性曲线(b) 转移特性曲线图2N沟道结型场效应三极管的特性曲线2. 绝缘栅场效应三极管的工作原理绝缘栅场效应三极管分为：耗尽型→N沟道、P沟道增强型→N沟道、P 沟道(1)N沟道耗尽型绝缘栅场效应管N沟道耗尽型的结构和符号如图3(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。
所以当UGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。
于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。
当UGS>0时，将使ID进一步增加。
结型场效应管和绝缘栅型场效应管
结型场效应管和绝缘栅型场效应管场效应管是一种电子元件，它可以通过控制输入信号的电压来调节输出信号的电流。
场效应管可以分为两种类型：结型场效应管和绝缘栅型场效应管。
结型场效应管（JFET）是一种基于PN结的半导体器件，它有一个p型或n型的半导体材料作为门极。
当没有外部电压时，JFET的通道是导通的，因为电子可以从源极流向漏极。
当有负偏压施加在门极上时，通道的电阻会增加，电流也会减少。
相反，当有正偏压施加在门极上时，通道的电阻会减小，电流也会增加。
这种调节电流的方式使得JFET可以用于放大、开关、调节电压等应用。
与JFET不同，绝缘栅型场效应管（MOSFET）的门极是由氧化物绝缘层隔离的金属栅极。
MOSFET可以分为两种类型：n沟道MOSFET （n-MOSFET）和p沟道MOSFET（p-MOSFET）。
n-MOSFET的沟道是由n 型半导体材料构成的，而p-MOSFET的沟道是由p型半导体材料构成的。
当没有外部电压时，MOSFET的通道是关闭的，因为绝缘层隔离了栅极和沟道。
当有正偏压施加在栅极上时，沟道下方的半导体材料会形成一个n型或p型区域，从而产生一个导电通道，电流会从源极流向漏极。
与JFET类似，当门极电压增加时，通道的电阻会减小，电流也会增加。
MOSFET具有比JFET更高的输入电阻和更低的噪声水平，因此在高频放大器和低噪声电路中广泛使用。
此外，MOSFET还可以用于数字电路中的开关和存储器单元。
总的来说，结型场效应管和绝缘栅型场效应管都是重要的半导体器件，它们在电子技术中具有广泛的应用。
随着科技的不断发展，这两种器件也在不断地改进和完善，为电子行业的发展提供了强有力的支持。
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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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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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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当uDS=0时，uGS对沟道的控制作用动画演示
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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
场效应管介绍
场效应管原理场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N沟道器件和P沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET）。
1.1 1.1.1MOS场效应管MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管一、工作原理1．沟道形成原理当VGS=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。
耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)时（VGS(th) 称为开启电压），由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。
如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。
在栅极下方形成的导电沟1线性电子电路教案道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。
随着VGS的继续增加，ID将不断增加。
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。
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3. 场效应管及其放大电路
源极S（source) 栅极G（gate) 漏极D（drine)
P+
N 型导电沟道
N P+
称为N沟道 JFET
符号
d
g
s
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3. 场效应管及其放大电路
源极S（source) 栅极G（gate) 漏极D（drine)
N+
P 型导电沟道
P N+
P沟道JFET 结构示意图
符号
d
g
s
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3. 场效应管及其放大电路
结型场效应管分
N沟道结型场效应管
类似
N沟道JFET
d
g
P沟道结型场效应管
P沟道JFET
d
NPN
g
s
s
PNP
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3. 场效应管及其放大电路 3.1 结型场效应管
3.1.1 结型场效应管的结构和类型
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3. 场效应管及其放大电路
总结：三极管的主要特点
C(c)
1. 电流控制型器件。
B (b)
2. 输入电流大，输入电阻小。
T E(e)
3. 两种极型的载流子都参与导电，又称
为双极型晶体管，简称BJT（Bipolar Junction Transistor)。
肖克利于1949 年提出了结型晶体管概念 （ sandwich transist路
场效应管图片
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3. 场效应管及其放大电路
场效应管，简称FET(Field Effect Transistor )， 其主要特点： 电压控制电流源 (a) 输入电阻高，可达107 ~1015Ω。 (b) 起导电作用的是多数（一种）载流子，
又称为单极型晶体管。 (c) 体积小、重量轻、耗电省、寿命长。 (d) 噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单。 (e) 在大规模集成电路制造中得到了广泛的应用。
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3. 场效应管及其放大电路 场效应管的类型：
场效应管按结构可分为： 1. 结型场效应管，简称 JFET ( Junction Field Effect Transistor ) 2. 绝缘栅型场效应管，简称 IGFET ( Isolated Gate Field Effect Transistor )
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3. 场效应管及其放大电路
3.1.1 结型场效应管的结构和类型
sgd
N沟道JFET 结构示意图
SiO2 保护层
P+
N P+
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3. 场效应管及其放大电路
形成SiO2保护层 左右各引出一个电极
以N型半导 体作衬底
N
P+
两边个引出一个电极
P+
两边扩散两个高 浓度的P型区
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