場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。主要有兩種類型(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場效應管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。由多數載流子參與導電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點,現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。
場效應管(FET)是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件,并以此命名。由于它僅靠半導體中的多數載流子導電,又稱單極型晶體管。FET 英文為Field Effect Transistor,簡寫成FET。
場效應管的特點:
場效應管是根據三極管的原理開發出的新一代放大元件,有3個極性,柵極,漏極,源極,它的特點是柵極的內阻極高,采用二氧化硅材料的可以達到幾百兆歐,屬于電壓控制型器件。場效應管場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。由多數載流子參與導電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。
與雙極型晶體管相比,場效應管具有如下特點。
(1)場效應管是電壓控制器件,它通過VGS(柵源電壓)來控制ID(漏極電流);
(2)場效應管的控制輸入端電流極小,因此它的輸入電阻(107~1012Ω)很大。
(3)它是利用多數載流子導電,因此它的溫度穩定性較好;
(4)它組成的放大電路的電壓放大系數要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數;
(5)場效應管的抗輻射能力強;
(6)由于它不存在雜亂運動的電子擴散引起的散粒噪聲,所以噪聲低。
具有輸入電阻高(100MΩ~1 000MΩ)、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬、熱穩定性好等優點,現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。
場效應管的工作原理:
場效應管工作原理用一句話說,就是“漏極-源極間流經溝道的ID,用以柵極與溝道間的pn結形成的反偏的柵極電壓控制ID”。更正確地說,ID流經通路的寬度,即溝道截面積,它是由pn結反偏的變化,產生耗盡層擴展變化控制的緣故。在VGS=0的非飽和區域,表示的過渡層的擴展因為不很大,根據漏極-源極間所加VDS的電場,源極區域的某些電子被漏極拉去,即從漏極向源極有電流ID流動。從門極向漏極擴展的過度層將溝道的一部分構成堵塞型,ID飽和。將這種狀態稱為夾斷。這意味著過渡層將溝道的一部分阻擋,并不是電流被切斷。
在過渡層由于沒有電子、空穴的自由移動,在理想狀態下幾乎具有絕緣特性,通常電流也難流動。但是此時漏極-源極間的電場,實際上是兩個過渡層接觸漏極與門極下部附近,由于漂移電場拉去的高速電子通過過渡層。因漂移電場的強度幾乎不變產生ID的飽和現象。其次,VGS向負的方向變化,讓VGS=VGS(off),此時過渡層大致成為覆蓋全區域的狀態。而且VDS的電場大部分加到過渡層上,將電子拉向漂移方向的電場,只有靠近源極的很短部分,這更使電流不能流通。
場效應管的分類:
場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管,是較新型的半導體材料,利用電場效應來控制晶體管的電流,因而得名。它只有一種載流子參與導電的半導體器件,是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。從參與導電的載流子來劃分,它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。從場效應管的結構來劃分,它有結型場效應管和絕緣柵型場效應管之分。
1.結型場效應管
(1) 結型場效應管結構
N溝道結型場效應管的結構如下圖所示,它是在N型半導體硅片的兩側各制造一個PN結,形成兩個PN結夾著一個N型溝道的結構。兩個P區即為柵極,N型硅的一端是漏極,另一端是源極。
結型場效應管的結構示意圖
(2) 結型場效應管工作原理
以N溝道為例說明其工作原理。
當VGS=0時,在漏、源之間加有一定電壓時,在漏源間將形成多子的漂移運動,產生漏極電流。當VGS《》時,PN結反偏,形成耗盡層,漏源間的溝道將變窄,ID將減小,VGS繼續減小,溝道繼續變窄,ID繼續減小直至為0。當漏極電流為零時所對應的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS (off)。
(3)結型場效應管特性曲線
結型場效應管的特性曲線有兩條,
一是輸出特性曲線(ID=f(VDS)| VGS=常量),
二是轉移特性曲線(ID=f(VGS)|VDS =常量)。
N溝道結型場效應管的特性曲線如下圖所示。
(a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉移特性曲線
N溝道結型場效應管的特性曲線
2. 絕緣柵場效應三極管的工作原理
絕緣柵場效應三極管分為:
耗盡型→N溝道、P溝道
增強型→N溝道、P溝道
(1)N溝道耗盡型絕緣柵場效應管結構
N溝道耗盡型的結構和符號如下圖(a)所示,它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時,這些正離子已經感應出反型層,形成了溝道。于是,只要有漏源電壓,就有漏極電流存在。當VGS》0時,將使ID進一步增加。VGS《》時,隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為夾斷電壓,用符號VGS (off)表示,有時也用VP表示。
N溝道耗盡型的轉移特性曲線如下圖(b)所示。
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(a) 結構示意圖 (b) 轉移特性曲線
(2)N溝道增強型絕緣柵場效應管結構
N溝道增強型絕緣柵場效應管,結構與耗盡型類似。但當VGS=0 V時,在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。當柵極加有電壓時,若VGS》VGS (th)時,形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在VGS=0V時ID=0,只有當VGS》VGS(th)后才會出現漏極電流,這種MOS管稱為增強型MOS管。
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VGS(th)——開啟電壓或閥電壓;
(3)P溝道增強型和耗盡型MOSFET
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過導電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
場效應管的主要參數及選用:
為了正確安全運用場效應管,防止靜電、誤操作或儲存不當而損壞場效應管,必須對場效應管主要參數有所了解和掌握。場效應管的參數多達幾十種,現將主要參數及含義列于表1,作為參考。