电力场效应管

除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有:

(1)漏极电压UDS--电力MOSFET电压定额

(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM--电力MOSFET电流定额

(3)栅源电压UGS-- UGS>20V将导致绝缘层击穿 。

(4)极间电容--极间电容CGS、CGD和CDS

(Field Effect Transistor简称FET )是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。

场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。

一、结构与分类

图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区(用P 表示)，形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极(g)，在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极(s)和漏极(d)。在形成PN结过程中，由于P 区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大

二、工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图Z0123所示。由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。

1.栅源电压UGS对导电沟道的影响(设UDS=0)

在图Z0123所示电路中，UGS <0，两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，ID=0。若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大;若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。这表明UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS负值增加到某一数值VP时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。(VP称为夹断电压)此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，ID=0。

2.漏源电压UGS对漏极电流ID的影响(设UGS=0)

当UGS=0时，显然ID=0;当UDS>0且尚小对，P N结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS成线性规律变化(如图Z0124曲线OA段);若UGS再继续增大，耗尽层也随之增宽，导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。

由于沟道电阻的增大，ID增长变慢了(如图曲线AB段)，当UDS增大到等于|VP|时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为漏源两极间的场强已足够大，完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS (这种情况如曲线B点):当UDS>|VP|再增加时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。

由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以比|VP|大的那部分电压基本上降在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变，管子呈恒流特性(如曲线BC段)。但是，如果再增加UDS达到BUDS时(BUDS称为击穿电压)进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使ID急剧增加而出现击穿现象(如曲线CD段)。

由此可见，结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。

三、特性曲线

1.输出特性曲线

输出特性曲线是栅源电压UGS取不同定值时，漏极电流ID 随漏源电压UDS 变化的一簇关 系曲线，如图Z0124所示。由图可知，各条曲线有共同的变化规律。UGS越负，曲线越向下移动)这是因为对于相同的UDS，UGS越负，耗尽层越宽，导电沟道越窄，ID越小。

由图还可看出，输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。

◆可变电阻区:预夹断以前的区域。其特点是，当0<UDS<|VP|时，ID几乎与UDS呈线性关系增长，UGS愈负，曲线上升斜率愈小。在此区域内，场效应管等效为一个受UGS控制的可变电阻。

◆恒流区:图中两条虚线之间的部分。其特点是，当UDS>|VP|时，ID几乎不随UDS变化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，两者变量之间近乎成线性关系，所以该区域又称线性放大区。

◆击穿区:右侧虚线以右之区域。此区域内UDS>BUDS，管子被击穿，ID随UDS的增加而急剧增加。

2.转移特性曲线

当UDS一定时，ID与UGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明，当UDS>|VP|后，即恒流区内，ID 受UDS影响甚小，所以转移特性通常只画一条。在工程计算中，与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示:I d=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)

式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS=0时的漏极饱和电流。

图为输出特性曲线

N沟道MOS场效管的转移特性曲线

N沟道MOS场效应管的输出特性曲线

场效应管与三极管的各自应用特点

1.场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。

2.场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。

3.场效应管栅极几乎不取电流（ig&raquo;0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。

4.场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。

5.场效应管在源极水与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多。

6.场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。

7.场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开路电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。

8.三极管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百毫欧姆，在现在的用电器件上，一般都用场效应管做开关来用，他的效率是比较高的 。

1.场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。

2.场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

3.场效应管可以用作可变电阻。

4.场效应管可以方便地用作恒流源。

5.场效应管可以用作电子开关。

（1）场效应管是电压控制器件，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏极电流）；

（2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。

（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；

（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；

（5）场效应管的抗辐射能力强；

（6）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。

场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。

按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：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。

1、结型场效应管的分类：结型场效应管有两种结构形式，它们是N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管。

结型场效应管也具有三个电极，它们是：栅极；漏极；源极。电路符号中栅极的箭头

方向可理解为两个PN结的正向导电方向。2、结型场效应管的工作原理(以N沟道结型场效应管为例)，N沟道结构型场效应管的结构及符号，由于PN结中的载流子已经耗尽，故PN基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，当漏极电源电压ED一定时，如果栅极电压越负，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，ID变大，所以用栅极电压EG可以控制漏极电流ID的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。

1、绝缘栅场效应管（MOS管）的分类：绝缘栅场效应管也有两种结构形式，它们是N沟道型和P沟道型。无论是什么沟道，它们又分为增强型和耗尽型两种。

2、它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属—氧化物—半导体场效应管，简称MOS场效应管。

3、绝缘栅型场效应管的工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管)它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

场效应管的工作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型；当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。