场效应管(FET)的工作原理总结

结型场效应管的工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理彻底相同，现以N沟道结型场效

应管为例，分析其工作原理。

N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源

极间加一负电压(％V0)，使栅领极间的P，N结反偏，栅极电流iG^O,场效应管呈现

很高的输入电阻(高达1佛摆布)。在漏-源极间加一正电压(v0s>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ip

的大小主要受栅-源电压控制，同时也受漏-源电压V、的影响。因此，讨论场

效应管的工作原理就是讨论栅-源电压Qq对沟道电阻及漏极电流<的控

制作用，以及漏-源电压V.对漏极电流的影响。

1J〉LJ

结型场效应管的工作原理

［常数

U

在GS(ofl)<uGS<0的范围内,漏极电流iD与栅极电压uGS的关系为

[I(1GS/

TDDS„

UGS(oft)

Ai/mA

TD

5

4

3

2

1

uB

GS

2)输出特性：输出特性是指栅源电压uGS一定,漏极电流ip与漏极电压uDS之间的关系。

if(u)l

DdsU常数

gs

Ai/mA恒流区（放大区）

*

Du=0V

DS

5.....................------------------------------------------

I

4V

可

击

变

穿

3电

2V区

阻

区

23V

4V

o

246-o468

夹断仅

1.VG西沟道电趴及i的控制作用

图2所示电路说明了对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源

极间所加的电压、=。当栅-源电压「时，沟道较宽，其电阻较小，如图

vL/C?k0J?vq=O2(a)

所示。当“、＜(),且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽

层将加宽。由于N区掺杂浓度小于我区，因此，随着乂1的增加，耗尽层将主要

向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻墙大，如图2(b)所示。当心I进一步增大到

•定值VQI时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。

由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加之

一定的电压va,漏极电流ip也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用Vr,表

/Ko

上述分析表明，改变栅源电压的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。

若同时在漏源-极间加之固定的正向电压VR,则漏极电流本将受飞的控制，卜&|增

大时，沟道电阻增大，ip减小。上述效应也可以看做是栅■源极间的偏置电压在沟

道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻

的大小，从而控制了漏极电流h的大小。

2.\，D四曲勺影响

为岐性增大'趋于饱和

(■)%〈飞■师M况6)%=%・好海况

卜饱和

(c)与三>七5-4的情况

图3

设值固定，且Vp<v「q<0。当漏.源电压V*从零开始增大时，沟道中有电

GSrGSD3

流§流过。由于沟道存在一定的电阻，因此，§沿沟道产生的电压降使沟道内各点

的电位再也不相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各

点间的电位差再也不相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最

大

（为MJ，）即加到该处PN结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源

极到漏极逐渐加宽，沟道宽度再也不均匀，而呈楔形，如图3（a）所示。

在V、较小时，它对\的影响应从两个角度来分析：一方面V4增加时，沟

道的电场强度增大，I随着增加；另一方面，随着V’的增加，沟道的不均匀性

增大，即沟道电阻增加，\应该下降，但是在V’较小时，沟道的不均匀性不明

显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即以对沟道电阻影响不大，故§随丫0s增

加而几乎呈线性地增加，随着VDS的进一步增加，挨近漏极一端的P+N结上承受

的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，1随V、上升的

速度趋缓。

当v0s增加到vl>s=vGS-Vp,即VGDEGS-VDSHVP侠断电压）时，漏极附近的耗尽

层即在A点处合拢，如图3（b）所示，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟

道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流i^O。因为这时沟道仍然存在，沟道内的

电场仍能使多数载流子（电子）作漂移运动，并被强电场拉向漏极。若V、继续增

加，使v邛Av”一Vp即%D〈Vp时，耗尽层合拢部份会有增加，即自A点向源极

方向延伸，如图3（c）,天断区的电阻越来越大，但漏极电流i1）却基本上趋于饱和，

iD不随的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大，Va的增加量主要降落在夹

断区电阻上，沟道电场强度增加不多，于是'Lx基本不变。但当V’增加到大于某

一极限值（用V（BR）DS表示）后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击

穿，ip会急剧增加，正常工作时v^s不能超过丫呼心。

从结型场效应管正常工作时的原理可知：①结型场效应管栅极与沟道之间

的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流i「=0,输入阻抗很高。②漏极电流受

栅-源电压控制，所以场效应管是电压控制电流器件。③预夹断前，即Vnq

较小时，iD与v区间基本呈线性关系；预夹断后，趋于饱和。

P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性

相反。

金属-氧化物-半导体场效应管

结型场效应管的输入电阻虽然可达106〜1（）9,但在要求输入电阻更高的场

合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是PN结的反偏电阻，在高温

条件下工作时，PN结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应

管不同，金属一氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二

氧化硅（SiO?）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因

而它的输入电阻可高达10'5。它的另一个优点是创造工艺简单，适于创造大规

模及超大规模集成电路。

MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，

二者的区别是增强型MOS管在栅.源电压vr=0时，漏-源极之间没有导电沟道存

在，即使加之电压Vf（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（i广0）。而耗

尽型MOS管在时，漏-源极间就有导电沟道存在。

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓

度的Ni区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面

复盖一层很薄的二氧化硅（SiOJ绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电

极，作为栅极g。此外在衬底上也引出一个电极B,这就构成为了一个N沟道增强

型MOS管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的,图1（a）、（b）分别是它的结

构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道）。P沟

道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图1（c）所示。

（a）N沟道增强型MOS管结构示意图

g6

S

（b）N沟道增强型MOS首代表符号（c）P沟道增强型MOS省代表符号

图1

1.V'/j1及沟道的控制作用

MOS管的源极和衬底通常是接在一起的（大多数管子在出厂前已连接好）.从

图1（a）可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当

栅-源电压时，即使加之漏■源电压V、，而且不论丫示的极性如何，总有一个

PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD=0。

若在栅•源极间加之正向电压，即飞＞则栅极和衬底之间的绝缘层

GS0,SiO2,

中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴

而吸引电子，于是使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能挪移的受主

离子（负离子），形成耗尽层，同时.p衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。当

数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道浮现，如图1（b）

所示。Vc增加时，吸引到P衬底表面层的电了就增多，当达到某•数值

时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相

连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故乂称为反

型层，如图1(c)所示。飞越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底

表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅-

源极电压称为开启电压，用VT表不。

由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在V^VVT时，不能形成导电沟道，管

31

子处于截止状态。惟独当时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加之正向

V«G5NVTI

电压Vx，才有漏极电流产生。而且增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，L

IJb(.jbu

增大。这种必须在「时才干形成导电沟道的管称为增强型管。

VGSAVT1MOSMOS

图1

2.\混寸§的影响

如图2(a)所示，当L/VT且为一确定值时，漏-源电压V、对导电沟道及电流

iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流ip沿沟道产生的电压降使沟道内各点与

栅极间的电压再也不相等，挨近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一

端电压最小，其值为VCD=V'S-VDS，于是这里沟道最薄。但当较小(

\JLzL/CJLUMoVV

<V3「OVTI)时，它对沟道的影响不大，这时只要3V”一定，沟道电阻几乎也是一定

的，所以1随V近似呈线性变化。

L*0s

随着V、的增大，挨近漏极的沟道越来越薄，当V、增加到使

v=v-v=V(或者V=v-V)时，沟道在漏极一端浮现预夹断，如图2(b)所示。

GDGSDSTxDSGSr、'

再继续增大V、，夹断点将向源极方向挪移，如图2(C)所示。由于7、的增加部分

几乎全部降落在夹断区，故I几乎不随增大而增加，管子进入饱和区，1几乎

仅由V决定。

耗尽GN型沟道

P

」衬底引线i衬底引线

(a)(b)

3.特性曲线和电流方程

N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样，其输出特性

曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部份。转移特性曲线如图1(b)所示,

由于场效应管作放大器件使用时是_L作在饱和区(恒流区)，此时i"「不维Y而变化，即不

同的即对应的转移特性曲线几喉重合的底兔、甲v大于某一-数值(v>v-V诟的

一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线，与结型场效应管相类似。在饱和区内,i

与V,的近似关系式为

iDI(而)(

T

式中牖装2丫时的漏留电流i。

MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用

夹断电压Vp,而用开启电压丫丁表征管子的特性。

图1

从结构上看，N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似，其区

别仅在于栅一源极间电压VcL。时，耗尽型MOS管中的漏一源极间已有导电沟

道产生，而增强型MOS管要在时才浮现导电沟道。原因是创造N沟道

3I

耗尽型MOS管时，在SiO?绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或者K+(创造

P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使v=0时，在这

VJo

些正离子产生的电场作用下，漏一源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道

（称为初始沟道），只要加之正向电压V3，就有电流ip。如果加之正的v系,栅吸

与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，增

大。反之为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，1减小。

GSD

当VG”S负向增加到某一数值时，导电沟道消失D，〈趋于零，管子截止，故称为耗

尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用Vp表示。与N沟道结型场效

应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压Vp也为负值，但是，前者只能在VG,

<0的情况下工作。而后者在VGS=0,VGS>0,Vp<%s<0的情况下均能实现对的

控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。这是耗尽型

MOS管的一个重要特点。

图1（b）、（c）分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号。

在饱和区内，耗尽型MOS管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同,

即

iI0

DDDSy

P

珅化像金属-半导体场效应管

加化钱（GaAs）是由化学元素周期表中山族元素钱和V族元素碑二者组成

的单晶化合物，因此，它又叫做IH-V化合物，是一种新型半导体材料。它的特

性与周期表中IV族元素硅类似，但重要的差别之一是，GaAs的电子迁移率比硅

约大510倍。用GaAs创造有源器件时，具有比硅器件快得多的转换速度（例

如在截止、饱和导通间变化）。高速珅化铁三极管正被用于微波电路、高频放大

和高速数字逻辑电路中。

由神化钱创造的场效应管叫做金属■半导体场效应管（MES-FET），它具有

速度高等优点，应用广泛。

N沟道MESFET的物理结构和电路符号分别如图1（a）、（b）所示图（a）表明，在

GaAs衬底上面形成N沟道，然后在N沟道两端利用光刻、扩散等工艺掺杂成高

浓度N+区，分别组成漏极d和源极s。当MESFET的栅区金属（例如铝）

与N沟道表面接触时，将在金属-半导体接触处形成肖特基势垒区，它和硅JFET中

栅极、沟道间的PN结相似。MESFET的肖特基势垒区也要求外加反偏电压，

心。愈负，肖特基势垒区愈宽，N沟道的有效截面积愈小，沟道电阻越大，因此，

漏极电流I将随变化。MESFET的输出特性与硅JFET相似，属于耗尽型器

件，有一夹断电压Vp。

（肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体结，适合用于二极管。肖特基势垒

与PN结最大的区别是其典型的低结电压，减小金属的（几乎不存在）耗尽区宽度。

但并非所有的有整流特性的金属-半导体结都是肖特基势垒.金属-半导体结没有

整流特性的叫做欧姆接触整流属性取决于金属的功函、固有半导体的带隙，以及类

型和半导体的掺杂浓度。）

由于碑化钱的电导率很低，用作衬底时对相邻器件能起良好的隔离作用为。

了减少管子的开关时间，通常MESFET的导电沟道做得短，这样，由于心,产生

的沟道长度调制效应就变得明显，即使在恒流区，ip也随V*而变，这是与硅JFET

不同之处。具体地说，MESFET遵循下列等式关系：

截止区（，加<%）

=0

可变电阻区（）

vLzo<vVr

v

，D=K[2（P0s-fp）DS-续]（1+观DS）

恒流区(vQvV)

片二*小-喘尸(1+2小)

其中常数叫做沟道长度调制参数，通常在(0.050.2)Vi范围，N沟道

MESFET器件Vp的典型值是(0.52.5)V。常数K的单位为mA/V2。

使用场效应管的注意事项

1.从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以

互换。但有些场效应管在创造时己将衬底引线与源极连在一起，