2-1结型场效应晶体管的工作原理
场效应管工作原理及应用
场效应管工作原理（1）场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、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。
一、场效应管的分类场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
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。
二、场效应三极管的型号命名方法现行有两种命名方法。
第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。
第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。
例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。
第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。
例如CS14A、CS45G等。
场效应晶体管的工作原理通俗解释
场效应晶体管的工作原理通俗解释
场效应晶体管是一种半导体器件，它广泛应用于电子电路中。
它
是一种三端管，由栅极 (Gate)，漏极 (Drain) 和源极 (Source) 三
个极组成。
场效应晶体管的工作原理非常复杂，但是可以用通俗易懂
的语言来解释。
第一步：当 Vgs = 0 时，场效应晶体管处于关闭状态。
此时，
漏结区域的电势高于源结区域，导致电子从源到漏流动。
第二步：当 Vgs > Vth 时，场效应晶体管处于开启状态。
此时
栅结区域形成一个电场，能够吸引电子从源极流入栅极，同时通过栅
极--漏极结实现漏极区域加电压，从而使电子从源极向漏极流动。
第三步：当 Vgs < Vth 时，场效应晶体管仍然处于关闭状态。
此时，栅结区域不会形成足够的电场，无法吸引电子从源极流入栅极，而漏极区域仍然在电势高于源区域。
因此，电子仍然从源到漏流动。
总之，场效应晶体管的工作原理可以用控制门极电压来控制漏极
电流的方式来概括。
因为场效应晶体管的控制能力非常强，它能够更
有效地控制大功耗电路。
场效应管工作原理与应用通用课件
增强型场效应管是在正常工作状态下需要加正向栅极电压才能导通，而耗尽型场效应管则是加反向电 压导通。
详细描述
增强型场效应管在无电压时，半导体中没有导电沟道，需要加正向栅极电压后才会形成导电沟道；而 耗尽型场效应管在无电压时，半导体中已经存在导电沟道，加反向电压后可调节导电沟道的宽度。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
1 2
根据电路需求选择合适的类型
根据电路的电压、电流和频率要求，选择合适的 场效应管类型，如N沟道或P沟道。
考虑导通电阻和开关性能
选择导通电阻较小、开关速度较快的场效应管， 以提高电路性能。
3
考虑最大工作电压和电流
根据电路的最大电压和电流，选择能够承受的场 效应管。
场效应管使用注意事项
正确连接电源和信号线
效应管。
导通不良
02
如果场效应管导通不良，会影响电路性能，需要检查驱动信号
是否正常，以及场效应管本身是否有问题。
噪声干扰
03
如果电路中存在噪声干扰，会影响场效应管的正常工作，需要
采取措施降低噪声干扰。
05
场效应管封装与测试
场效应管封装形式
金属封装
采用金属外壳作为场效应管的封装，具有良好的 散热性能和电气性能。
场效应管工作原理与应用通 用课件
contents
目录
• 场效应管简介 • 场效应管工作原理 • 场效应管应用 • 场效应管选型与使用注意事项 • 场效应管封装与测试
01
场效应管简介
场效应管定义
场效应管（Field-Effect Transistor ，FET）：是一种利用电场效应控制 电流的半导体器件。
电场效应：是指外加电场对导体内部 的电荷分布和运动状态产生影响的现 象。
场效应管工作原理 1
场效应管工作原理（1）场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、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。
一、场效应管的分类场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
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。
二、场效应三极管的型号命名方法现行有两种命名方法。
第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。
第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。
例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。
第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。
例如CS14A、CS45G等。
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 原理
结型场效应管原理
场效应管是一种半导体器件，常用于放大、开关电路等应用。
结型场效应管（JFET）是其中一种常见的结构。
JFET的主要原理是利用PN结形成的场效应。
它由三个区域组成：中间是一个P型或N型的半导体材料，两侧分别是控制电极（Gate）和输出电极（Drain与Source）。
控制电极之间形成的PN结—反向偏置结（Reverse biased junction），形成一个可控制的电场区域，这个电场区域控制了从Source到Drain的电流。
在工作时，当Gate和Source之间的电压增加时，PN结的电导性减小，电场区域增宽。
这会导致Source到Drain的电流减小，即输出电流被控制。
这种控制过程是通过改变电场区域宽度而实现的，因此称为场效应。
JFET有两种常见的结构：N型JFET和P型JFET。
N型JFET 是由P型材料夹在两个N型材料之间形成的，而P型JFET则是由N型材料夹在两个P型材料之间形成的。
两者的工作原理基本相同，只是电流流动方向相反。
在实际应用中，JFET具有很多优点，比如体积小，可以工作在较高的频率范围内，具有较低的噪声，以及可以工作在宽温度范围内等。
因此，JFET被广泛应用于放大器、开关和稳压器等电路中。
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。
完整版对场效应管工作原理的理解
如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。
场效应管的结构场效应管是电压控制器件，功耗比较低。
而三极管是电流控制器件，功耗比较高。
但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，至恸米级大小。
所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。
对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。
场效应管具有很多比三极管优越的性能。
结型场效应管的结构结型场效应管又叫JFET,只有耗尽型。
这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。
图为N沟道结型场效应管的结构示意图。
在一块N型硅，材料（沟道）上引出两个电极，分别为源极（S）和漏极（D）。
在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极（G）。
这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。
当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。
如果在漏极及源极之间加上电压U DS，就有电流流过，I D将随U DS的增大而增大。
如果给管子加上负偏差U GS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区（如图a中阴影区所示）。
其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。
这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片（沟道）中的电流大小的目的。
注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。
而且是PN结工作在反向偏置的状态。
刚开机时，如果负偏置没有加上，此时I D是最大的。
特点：1 , GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大2: DS也是导通特性，阻抗比较大3: GS工作在反向偏置的状态。
4: DS极完全对称，可以反用，即D当做S , S当做D。
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iD f uGS uDS C
输出特性曲线：
iD f uDS uGS C
8
结型场效应管的大信号分析（特性曲线）
（1）转移特性曲线 iD f (uGS ) uDS C
I DSS
D
iD /mA 5
4
3
UDS
P
P
2
1
UGS UGSoff－3 －2 －1 0
S 问题：若UDS增大，转移特性曲线如何变化？
时，在靠漏极处夹断——预夹断。 ④UDS再↑，预夹断点下移。
6
结型场效应管的工作原理(2)
南京邮电大学 电子科学与工程学院
结型场效应管的大信号分析（特性曲线）
特性曲线是描述场效应管各极电流与极间电压关系的曲线。在JFET工作 时，通常将UGS、IG作为输入电压、电流，而UDS和ID看作输出电压和电流。
iD
I DSS (1
uGS UGSoff
)2
式中：IDSS——饱和电流，表示uGS=0时的iD值；
UGSoff——夹断电压，表示uGS=UGSoff时iD为零。
13
iD/mA
4 3
可 变
uDS＝ uGS－UGSoff
UGS＝0V
电 阻
恒
－0.5V
击 穿
区 2
流
－1V
区
－1.5V
区
1
－2V
0
UGSoff
流
－1V
2
区
－1.5V
1
－2V
0
5
10截止区15
20
10
击 穿 区
UGSoff uDS /V
结型场效应管的大信号分析(2)
南京邮电大学 电子科学与工程学院
iD/mA
4 3
可 变
uDS＝ uGS－UGSoff
UGS＝0V
电 阻
恒
－0.5V
区
流
－1V
2
区
－1.5V
1
－2V
0
5
10 15 20
截止区
击 穿 区
5
截止区
15
20 u DS/V
2. 可变电阻区：预夹断前。JFET看成受uGS控制的
可变电阻。
可变电阻区的等效直流电阻和交流电阻都很小，
UDS较小, 输出d和s端可以近似为短路。
14
iD/mA
4 3
可 变
uDS＝ uGS－UGSoff
UGS＝0V
电 阻
恒
－0.5V
区
流
－1V
2
区
－1.5V
1
－2V
0
5
10 15 20
截止区
击 穿 区
UGSoff u DS/V
3. 截止区。UGS<UGS(off) ，截止区的输出电 流iD几乎为零，输出端可以近似为开路。
4. 击穿区。
15
绝缘栅场效应管IGFET
2
结型场效应管JFET的结构
D Drain 漏极
Gate栅极 N
G
P
型 沟
P
道
D
G S
S Source源极
(a)N沟道JFET
3
箭头方向表示栅源 间PN结正向偏置时 栅极电流的方向。
D
P
G
N
型 沟
N
道
D
G S
S
(b)P沟道JFET
4
结型场效应管的工作原理
（1）栅源电压UGS对沟道的控制作用 在栅源间加负电压UGS ，令UDS =0 ①当UGS=0时，为平衡PN结，导电沟道最宽。 ②当│UGS│↑时，PN结反偏，形成耗尽 层，导电沟道变窄，沟道电阻增大。 ③当│UGS│到一定值时 ，沟道会完全合 拢。
uGS /V
分析：UDS增大，多子形成的漂移电流增大，
ID增加，转移特性曲线上移。
9
输出特性曲线：iD f (uDS ) UGS 常数
预夹断前， UDS↑→ID ↑。 预夹断后， UDS↑→ID 几乎不变。
/ mi DA
可 变
u DS ＝ uGS－UGSoff
电 4阻
UGS ＝0V
区 3
恒
－0.5V
UGSoff u DS/V
1. 恒流区： 预夹断后。iD几乎不受uDS的影响,体现 为一个恒流源的特性，且恒流源的电流受输入电压
uGS的控制。 因此，场效应管是一个电压控制器件。
特点： ID / UGS ≈常数= gm
12
(a) 输出特性曲线
(b) 转移特性曲线
恒流区的iD与uGS关系符合
第2章 场效应晶体管及其放大电路 2.1 场效应晶体管
南京邮电大学 电子科学与工程学院
场效应晶体管（Field Effect Transistor ）在工作时，只有 一种载流子（多数载流子）起运载电流的作用，因此又称为单 极性晶体管（区别于第三章的双极型晶体管），也称为场效应 管。
结型场效应管JFET 场效应管FET
夹断电压UGS(off)——使导电沟道完全合 拢（消失）所需要的栅源电压UGS。
5
（2）漏源电压UDS对沟道的控制作用
在漏源间加电压UDS ，令UGS =0。 由于UGS =0，所以导电沟道最宽。 ①当UDS=0时， ID=0。 ②UDS↑→ID ↑ → 靠近漏极处的耗尽层加
宽，沟道变窄，呈楔形分布。 ③当UDS ↑，使UGD=UG S- UDS=UGS（off）