结型场效应管
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(JFET)的结构和工作原理
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JFET2. 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107Ω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。
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
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
结型场效应管结型场效应晶体管（JunctionField—EffectTransistor，JFET）JFET是在同一块N形半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极g，N型半导体两端分别引出两个电极，分别称为漏极d，源极s。
结型场效应晶体管是一种具有放大功能的三端有源器件,是单极场效应管中最简单的一种,它可以分N沟道或者P沟道两种。
目录器件特点工作特性基本概念器件特点JFET的特点是：①是电压掌控器件，则不需要大的信号功率。
②是多数载流子导电的器件，是所谓单极晶体管，则无少子存储与扩散问题，速度高，噪音系数低；而且漏极电流Ids的温度关系决议于载流子迁移率的温度关系，则电流具有负的温度系数，器件具有自我保护的功能。
③输入端是反偏的p—n结,则输入阻抗大,便于匹配。
④输出阻抗也很大,呈现为恒流源，这与BJT大致相同。
⑤JFET一般是耗尽型的，但若采纳高阻衬底,也可得到加强型JFET（加强型JFET在高速、低功耗电路中很有应用价值）；但是一般只有短沟道的JFET才是能很好工作的加强型器件。
实际上，静电感应晶体管也就是一种短沟道的JFET。
⑥沟道是处在半导体内部，则沟道中的载流子不受半导体表面的影响，因此迁移率较高、噪声较低。
工作特性对于耗尽型的JFET，在平衡时（不加电压）时，沟道电阻最小；电压Vds和Vgs都可更改栅p—n结势垒的宽度，并因此更改沟道的长度和厚度（栅极电压使沟道厚度均匀变化，源漏电压使沟道厚度不均匀变化），使沟道电阻变化，从而导致Ids变化，以实现对输入信号的放大。
当Vds较低时，JFET的沟道呈现为电阻特性，是所谓电阻工作区，这时漏极电流基本上随着电压Vds的增大而线性上升，但漏极电流随着栅极电压Vgs的增大而平方式增大；进一步增大Vds时，沟道即首先在漏极一端被夹断，则漏极电流达到而饱和（饱和电流搜大小决议于没有被夹断的沟道的电阻），这就是JFET的饱和放大区，这时JFET呈现为一个恒流源。
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
(a)(b)(c)图XX_01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。
图XX_02(a)(b)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。
图XX_01N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。
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iD gm vGS
VDS
2 I DSS (1
或
gm
vGS ) VP
VP
（ 当VP vGS 0时 ）
④ 输出电阻rd：
rd
vDS iD
VGS
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4.1 结型 场效应管
3. 主要参数
⑤ 直流输入电阻RGS： 对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω。 ⑥ 最大漏源电压V(BR)DS ⑦ 最大栅源电压V(BR)GS ⑧ 最大漏极功耗PDM
输出特性 转移特性 主要参数
4.1结型 场效应管
一、JFET的结构和工作原理 1.结构：
N沟道管：电子电导，导电沟道为N型半导体
P沟道管：空穴导电，导电沟道为P型半导体
结型场效应管的结构示意图及其表示符号
(a)N沟道JFET；(b)P沟道JFET
4.1结型 场效应管
2.工作原理
（以N沟道JFET为例）
4.2 MOSFET
2.各种类型MOS管特性对比
4.2 MOSFET
2.各种类型MOS管特性对比
4.2 MOSFET
2.各种类型MOS管特性对比
(a)转移特性
(b)输出特性
4.2 MOSFET
2. N沟道增强型MOS管特性曲线
(1)转移特性曲线 主要特点如下:
当0＜uGS≤UT时,iD=0。
尽管uGS＞0,但无栅流。 当uGS＞UT时,导电沟 道形成,iD＞0。
uGS iD I D 0 ( 1)2 VT
(uGS VT )
式中I D 0是uGS 2VT时的iD值
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)恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的
4 场效应管放大电路
4.1 结型场效应管
4.2 金属-氧化物-半导体场效应管 4.3 场效应管放大电路 4.4 各种放大器件电路性能比较
4.1结型 场效应管
4 场效应管放大电路
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。
当VGS=0时， VDS ID G、 D 间 PN结的反向电 导电沟 当VP <V <0 时， GS 压增加，使靠近漏极处的 道更容易夹断， 对于同样 耗尽层加宽，沟道变窄， 的VDS ， ID的值比VGS=0时 从上至下呈楔形分布。 的值要小。 当VDS增加到使VGD=VP 时，在紧靠漏极处出现预 在预夹断处 夹断。 VGD=VGS-VDS =VP 此时VDS 夹断区延长
① VGS对沟道的控制作用
当VGS＜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
的栅源电压VGS称为夹断 电压VP （ 或VGS(off) ）。
对于N沟道的JFET，VP <0。
4.1结型 场效应管
2.工作原理
（以N沟道JFET为例）
② ③V V 对沟道的控制作用 和VDS同时作用时 DS GS
4.2 MOSFET
1. N沟道增强型MOSFET结构与工作原理
（2）工作原理：
(a)uGS >UT 出现N型沟道
(b)uDS较小时 iD迅速增大
(c )uDS较大出现时
iD趋于饱和
பைடு நூலகம்uDS增大时增强型MOS管沟道的变化过程
在正的漏极电源uDS作用下，将有iD产生。把在uDS作用下 开始导电的uGS叫做开启电压UT。
4.1结型 场效应管
4 场效应管放大电路
分类：
JFET 结型 MOSFET (IGFET) 绝缘栅型 N沟道
（耗尽型） N沟道
FET 场效应管
P沟道 增强型
P沟道 N沟道 P沟道
耗尽型
4.1结型 场效应管
4.1 结型场效应管
一、 JFET的结构和工作原理
结构 工作原理
二、 JFET的特性曲线及参数
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。
由于uGS=0时就存在原始沟道，所以只要此时uDS>0，
（2）工作原理：
就有漏极电流。如果uGS >0,指向衬底的电场加强，沟道 变宽，漏极电流iD将会增大。反之，若uGS <0，则栅压产 生的电场与正离子产生的自建电场方向相反，总电场减弱，
沟道变窄，沟道电阻变大， iD减小。当uGS继续变负，等
于某一阈值电压时，沟道将全部消失， iD =0，管子进入 截止状态。
4.2 MOSFET
2. N沟道耗尽型MOS管特性曲线
（2）输出特性
(1)转移特性曲线
N沟道耗尽型MOSFET管的电流方程与增强型管是一样的， 不过其中的开启电压应换成夹断电压UP。经简单变换，耗尽型 NMOSFET的电流方程为 vGS 2 iD I DSS (1 ) (VP vGS 0) VP
1. N沟道增强型MOSFET结构与工作原理
（2）工作原理： 增强型NMOS管在uGS=0时,两 个重掺杂的N+源区和漏区之间被P 型衬底所隔开,就好像两个背向连 接的二极管。这时不论漏极、源极 间加何种极性电压,总有一个PN结 处于反向偏置,所以漏极、源极之 间只有很小的反向电流通过,可以 认为增强型NMOS管处于关断状态 UGS＞UT时形成导电沟道
4.2 MOSFET
4.2 金属-氧化物-半导体场效应管
一、增强型MOSFET
二、耗尽型MOSFET 三、各种类型MOS管的符号及特性对比
4.2 MOSFET
一、增强型MOSFET
1. N沟道增强型MOSFET结构与工作原理
（1）结构：
N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图及符号
4.2 MOSFET
4.2 MOSFET
二、耗尽型MOSFET
1. N沟道耗尽型MOSFET结构与工作原理
（1）结构：
N沟道耗尽型MOS管的结构示意图及符号
增强型NMOS管在uGS=0时,管内没有导电沟道。耗尽型则 不同,它在uGS=0时就有导电沟道,它的导电沟道是在制造过程 中就形成了的。
4.2 MOSFET
1. N沟道耗尽型MOSFET结构与工作原理
若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。 4）击穿区 随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG也随之增大。
4.1结型 场效应管
3. 主要参数
① 夹断电压VP (或VGS(off))： 漏极电流约为零时的VGS值 。 ② 饱和漏极电流IDSS： VGS=0时对应的漏极电流。 ③ 低频跨导gm： 低频跨导反映了vGS对iD的控制作用。gm 可以在转移特性曲线上求得，单位是mS(毫西门子)。
4.2 MOSFET
2. N沟道增强型MOS管特性曲线
（2）输出特性 分为恒流区、可变电
阻区、截止区和击穿区。
其特点为： 1)截止区：UGS≤UT，导电
沟道未形成，iD=0。
2)恒流区： 曲线间隔均匀，uGS对iD控制能力强。uDS对iD的控制能力弱，曲 线平坦。 3)可变电阻区： uGS越大，rDS越小，体现了可变电阻 4）击穿区： 随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG也随之增大。
场效应管根据结构不同分为两大类：
6 9 10 ~ 10 结型场效应管 (JFET) 输入阻抗
绝缘栅场效应管 (IGFET)
10 输入阻抗
12
~ 1014
在 IGFET 中又有多种类型，目前应用最广泛的是以二氧 化硅 Si O2 为绝缘层的场效应管，称为金属－氧化物－半导体场
效应管(MOSFET,Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) 。
4.2 MOSFET
3. P沟道绝缘栅场效应管(PMOS)
PMOS管也有两种:增强型和耗尽型。增强型PMOS
管在工作时为了在漏源极之间形成P型沟道,栅源极之间 电压uGS必须为负,而且漏源极电压uDS及漏极电流iD也与 NMOS管的相反。
4.2 MOSFET
三、各种类型MOS管的符号及特性对比
1.各种类型MOS管符号对比