結型場效應管

結型場效應管結構與符號

結型場效應管的結構如下圖所示，在一塊N型半導體材料的兩邊各擴散一個高雜質濃度的P+區,就形成兩個不對稱的P+N結，即耗盡層。把兩 個P+區并聯在一起，引出一個電極g，稱為柵極，在N型半導體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極s和漏極d。它們分別與三極管的基極b、發射極e和集電極c相對應。夾在兩個P+N結中間的N區是電流的通道，稱為導電溝道（簡稱溝道）。這種結構的管子稱為N溝道和P溝道結型場效應管，它在電路中用下圖所示的符號表示，柵極上的箭頭表示柵-源極間的P+N結正向偏置時，柵極電流的方向（由P區指向N區）。

N溝道和P溝道結型場效應管的工作原理

N溝道和P溝道結型場效應管工作原理完全相同，現以N溝道結型場效應管為例，分析其工作原理。N溝道結型場效應管工作時，需要外加如圖1所示的偏置電壓（鼠標單擊圖1中“結型場效應管的工作原理”)，即在柵-源極間加一負電壓(vGS＜0)，使柵-源極間的P+N結反偏，柵極電流iG≈0，場效應管呈現很高的輸入電阻(高達108W左右)。在漏-源極間加一正電壓 (vDS＞0)，使N溝道中的多數載流子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運動，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時也受漏 -源電壓vDS的影響。因此，討論場效應管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對溝道電阻及漏極電流iD的控制作用，以及漏-源電壓vDS對漏極電流iD 的影響。

（1）柵極電壓VGS對iD的控制作用

為便于討論，先假設漏-源極間所加的電壓vDS=0。當柵-源電壓vGS=0時，溝道較寬，其電阻較小，如圖1(a)所示。當vGS<0，且其大小增加時，在這個反偏電壓的作用下，兩個P+N結耗盡層將加寬。由于N區摻雜濃度小于P+區，因此，隨著|vGS| 的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖1(b)所示。當|vGS|進一步增大到一定值|VP| 時，兩側的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷，如圖1(c)所示。由于耗盡層中沒有載流子，因此這時漏-源極間的電阻將趨于無窮大，即使加上一定的 電壓vDS，漏極電流iD也將為零。這時的柵-源電壓稱為夾斷電壓，用VP表示。上述分析表明，改變柵源電壓vGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。若同時在漏源-極間加上固定的正向電壓vDS，則漏極電流iD將受vGS的控制，|vGS|增大時，溝道電阻增大，iD減小。上述效應也可以看作是柵 -源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場，電場強度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流iD的大小。

（2）漏電電壓VDS對iD的影響

設vGS值固定，且VP

隨著vDS的進一步增加，靠近漏極一端的P+N結上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應變寬，溝道電阻相應增加，iD隨vDS上升的速度趨緩。當vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夾斷電壓)時，漏極附近的耗盡層即在A點處合攏，如圖2(b)所示，這種狀態稱為預夾斷。與前面講過的整個溝道全被夾斷不同，預夾斷后，漏極電流iD≠0。因為這時溝道仍然存在，溝道內的電場仍能使多數載流子(電子)作漂移運動，并被強電場拉向漏極。若vDS繼續增加，使 vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP時，耗盡層合攏部分會有增加，即自A點向源極方向延伸，如圖2(c)，夾斷區的電阻越來越大，但漏極電流iD卻基本 上趨于飽和，iD不隨vDS的增加而增加。因為這時夾斷區電阻很大，vDS的增加量主要降落在夾斷區電阻上，溝道電場強度增加不多，因而iD基本不變。但 當vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后，漏極一端P+N結上反向電壓將使P+N結發生雪崩擊穿，iD會急劇增加，正常工作時vDS不能超過V(BR)DS。

（3）從結型場效應管正常工作時的原理可知：

① 結型場效應管柵極與溝道之間的P+N結是反向偏置的，因此，柵極電流iG≈0，輸入阻抗很高。

② 漏極電流受柵-源電壓vGS控制，所以場效應管是電壓控制電流器件。

③ 預夾斷前，即vDS較小時，iD與vDS間基本呈線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。P溝道結型場效應管工作時，電源的極性與N溝道結型場效應管的電源極性相反。

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