结型场效应管的结构和工作原理
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。
结型场效应管的结构、工作原理
结型场效应管的结构、工作原理1.结构下图中示出了N沟道结型场效应管的结构示意图以及它在电路中的符号。
在一块N型硅棒的两侧，利用合金法、集中法与其他工艺做成掺杂程度比较高的P型区（用符号P+表示），则在P+型区和N型区的交界处将形成一个PN结，或称耗尽层。
将两侧的P+型区连接在一起，引出一个电极，称为栅极（G），再在N型硅棒的一端引出源极（S），另一端引出漏极（D），见图（a）。
假如在漏极和源极之间加上一个正向电压，即漏极接电源正端，源极接电源负端，则由于N型半导体中存在多数载流子电子，因而可以导电。
这种场效应管的导电沟道是N 型的，所以称为N沟道结型场效应管，其电路符合见图（b）。
留意电路符号中，栅极上的箭头指向内部，即由P+区指向N区。
2. 工作原理从结型场效应管的结构已经看出，在栅极和导电沟道之间存在一个PN结。
假设在栅极和源极之间加上反向电压UGS，使PN结反向偏置，则可以通过转变UGS的大小来转变耗尽层的宽度。
例如，当反向电压的值|UGS|变大时，耗尽层将变宽，于是导电沟道的宽度相应地减小，使沟道本身的电阻值增大，于是，漏极电流ID将削减。
所以，通过转变UGS的大小，即可掌握漏极电流ID的值。
由于导电沟道的半导体材料（例如N区）掺杂程度相对比较低，而栅极一边（例如P+区）的掺杂程度很高，因此当反向偏置电压值上升时，耗尽层总的宽度将随之增大。
但交界面两侧耗尽层的宽度并不相等。
因此，掺杂程度低的N型导电沟道中耗尽层的宽度比高掺杂的P+区栅极一侧耗尽层的宽度大得多。
可以认为，当反向偏置电压增大时，耗尽层主要向着导电沟道一侧展宽。
转变栅极和源极之间的电压UGS，即可掌握漏极电流ID。
这种器件利用栅极和源极这宰的电压UGS平转变PN结中的电场，然后掌握漏极电流ID,故称为场效应管。
对于结型场效应管来说，总是在栅极和源极之间加一个反抽偏置电压，使PN结反向偏置，此时可以认为栅极基本上不取电流，因此，场效应管的输入电阻很高。
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
mosfet 与 jfet 的工作原理及应用场合
MOSFET 与 JFET 的工作原理及应用场合一、引言在现代电子领域中，场效应晶体管（F ET）是一种重要的半导体器件，具有优越的性能和广泛的应用。
其中，金属氧化物半导体场效应管（M OS FE T）和结型场效应管（J FE T）是两种常见的FE T。
本文将介绍M O SF ET和J FE T的工作原理及其在不同应用场合的应用。
二、M O S F E T（金属氧化物半导体场效应管）M O SF ET是由一层金属氧化物绝缘层隔离门极和半导体基片的晶体管。
其工作原理如下：1.栅极电压变化：当栅极电压变化时，M O SF ET内部的电场分布发生变化，进而改变了通道中的载流子浓度。
2.载流子控制：当正向偏置栅极，使得栅极与源极之间形成正向偏压时，可以控制通道中的正负载流子的浓度。
M O SF ET在数字电路、模拟电路和功率放大器等方面有着广泛的应用：-逻辑门电路：M OS FE T可用于构建与门、或门、非门等逻辑门电路。
-放大器电路：M OS FE T可以实现低噪声、高增益的放大器电路，常用于音频放大器等领域。
-电源开关：由于MOS F ET具有低导通电阻和高关断电阻的特点，适用于电源开关电路，如开关稳压器。
三、J F E T（结型场效应管）J F ET是由P型或N型半导体材料形成的通道，两侧有控制端和漏源端的晶体管。
其工作原理如下：1.控制电压：当控制端电压变化时，通过改变通道中的空间电荷区宽度，从而改变了导电性能。
2.漏源电压：调整漏源间的电压，使其达到最大或最小值，以控制导电。
J F ET在放大器、开关和稳流源等方面具有广泛的应用：-放大器电路：J FE T具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，适用于低频放大器、微弱信号放大器等。
-开关电路：JF ET由于其控制电压变化范围大，可用于开关电路中的信号开关。
-稳流源：通过合理选择JF ET工作状态和参数，可以将其应用于稳流源电路，如电流源。
四、M O S F E T与J F E T的优缺点对比-M OS FE T的优点：1.噪声低：MO SF ET具有较低的输入噪声。
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。
场效应管的结构及工作原理(教案)
场效应管的结构及工作原理(教案)章节一：引言教学目标：使学生了解场效应管的基本概念，掌握场效应管的分类及应用领域。
教学内容：1. 场效应管的定义2. 场效应管的分类（结型场效应管、绝缘栅场效应管）3. 场效应管的应用领域教学方法：采用讲解、案例分析的方式进行教学。
教学过程：1. 讲解场效应管的定义及重要性。
2. 介绍场效应管的分类及其特点。
3. 通过案例分析，使学生了解场效应管在实际应用中的重要作用。
章节二：结型场效应管的结构与工作原理教学目标：使学生掌握结型场效应管的结构特点，理解其工作原理。
教学内容：1. 结型场效应管的结构特点2. 结型场效应管的工作原理教学方法：采用讲解、实验演示的方式进行教学。
教学过程：1. 讲解结型场效应管的结构特点，如源、漏、栅三端子等。
2. 通过实验演示，使学生了解结型场效应管的工作原理。
3. 分析结型场效应管的导通与截止条件。
章节三：绝缘栅场效应管的结构与工作原理教学目标：使学生掌握绝缘栅场效应管的结构特点，理解其工作原理。
教学内容：1. 绝缘栅场效应管的结构特点2. 绝缘栅场效应管的工作原理教学方法：采用讲解、实验演示的方式进行教学。
教学过程：1. 讲解绝缘栅场效应管的结构特点，如源、漏、栅三端子等。
2. 通过实验演示，使学生了解绝缘栅场效应管的工作原理。
3. 分析绝缘栅场效应管的导通与截止条件。
章节四：场效应管的参数与选用教学目标：使学生了解场效应管的主要参数，掌握场效应管的选择与使用方法。
教学内容：1. 场效应管的主要参数（如跨导、漏极电流、输入阻抗等）2. 场效应管的选择与使用方法教学方法：采用讲解、案例分析的方式进行教学。
教学过程：1. 讲解场效应管的主要参数及其意义。
2. 介绍场效应管的选择与使用方法。
3. 通过案例分析，使学生掌握场效应管在实际应用中的选用技巧。
章节五：场效应管的应用举例教学目标：使学生了解场效应管在实际应用中的典型应用，提高学生的实践能力。
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。
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结型场效应管(JFET)的结构和工作原理
1. JFET的结构和符号
N沟道JFET P沟道JFET
2. 工作原理（以N沟道JFET为例）
N沟道JFET工作时，必须在栅极和源极之间加一个负电压——V GS< 0，在D-S间加一个正电压——V DS>0.
栅极—沟道间的PN结反偏，栅极电流i G»0，栅极输入电阻很高（高达107W以上）。
N沟道中的多子（电子）由S向D运动，形成漏极电流i D。
i D的大小取决于V DS的大小和沟道电阻。
改变V GS可改变沟道电阻，从而改变i D。
主要讨论V GS对i D的控制作用以及V DS对i D的影响。
①栅源电压V GS对i D的控制作用
当V GS＜0时，PN结反偏，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，I D减小；V GS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，I D≈0。
这时所对应的栅源电压V GS称为夹断电压V P。
②漏源电压V DS对i D的影响
在栅源间加电压V GS＜0 ，漏源间加正电压V DS> 0。
则因漏端耗尽层所受的反偏电压为V GD=V GS-V DS，比源端耗尽层所受的反偏电压V GS大,(如:V GS=-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),使靠近漏端的耗尽层比源端宽，沟道比源端窄，故V DS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。
当V DS增加到使V GD=V GS-V DS=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V DS主要降落在该区，产生强电场力把未夹断区的载流子都拉至漏极，形成漏极电流I D。
预夹断后I D基本不随V DS增大而变化。
①V GS对沟道的控制作用
当V GS＜0时，PN结反偏®耗尽层加厚®沟道变窄。
V GS继续减小，沟道继续变窄。
当沟道夹断时，对应的栅源电压V GS称为夹断电压V P（或V GS(off) ）。
对于N沟道的JFET，V P<0。
②V DS对沟道的控制作用
当V GS=0时，V DS®I D, G、D间PN结的反向电压增加，使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从上至下呈楔形分布。
当V DS增加到使V GD=V P时，在紧靠漏极处出现预夹断。
此时V DS®夹断区延长®沟道电阻®I D基本不变。
③V GS和V DS同时作用时
当V P <V GS<0 时，导电沟道更容易夹断，对于同样的V DS ，I D的值比V GS=0时的值要小。
在预夹断处,V GD=V GS-V DS=V P(或V DS=V GS- V P).
综上分析可知
l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。
l JFET栅极与沟道间的PN结是反向偏置的，因此i G»0，输入电阻很高。
l JFET是电压控制电流器件，i D受v GS控制。
l预夹断前i D与v DS呈近似线性关系；预夹断后，i D趋于饱和。