对场效应管工作原理的理解分析.docx

如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。 场效应管的结构 场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。 结型场效应管的结构 结型场效应管又叫JFET，只有耗尽型。 这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N型硅，材料(沟道)上引出两个电极，分别为源极(S)和漏极(D)。在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压UDs，就有电流流过，ID将随UDS的增大而增大。如果给管子加上负偏差UGS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区(如图a中阴影区所示)。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片(沟道)中的电流大小的目的。 注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时ID是最大的。 特点：1，GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大 2：DS也是导通特性，阻抗比较大 3：GS工作在反向偏置的状态。 4：DS极完全对称，可以反用，即D当做S，S当做D。 从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。 符号： 箭头的方向仍然是PN结正向导通的方向。 绝缘栅场效应管MOSFET 结型虽然电压控制方式，但是仍然有少子的飘移形成电流。绝缘栅场效应管是栅极与衬底完全绝缘，所以叫绝缘栅场效应管。 绝缘栅型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)分为增强型和耗尽型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分，N沟道又叫PMOS管，P沟道又叫NMOS管。不象双极型晶体管只有NPN和PNP两类，场效应晶体管的种类要多一些。但是它们的工作原理基本相同，所以下面以增强型N沟道场效应晶体管为例来加以说明。 绝缘栅型场效应三极管MOSFET( Metal Oxide Semiconductor FET)。分为 增强型 ? N沟道、P沟道 耗尽型 ? N沟道、P沟道 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图4.1。其中： D(Drain)为漏极，相当c； G(Gate)为栅极，相当b； S(Source)为源极，相当e。 （衬底断开是是指两个N区没有相连。如果两个相连，靠改变沟道的宽度来控制电流就是耗尽型） 制作过程： 取一块P型半导体作为衬底，用B表示。 用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。 然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分） 从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。 在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。 N沟道增强型MOSFET的符号如图所示。左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。 （衬底在内部与源极相连，所以绝缘栅MOSFET的D、S极是不能互换的。箭头的方向仍然是衬底和S极和D极的PN结方向，而栅极没有半导体，只是电容器的一个极板。而结型的箭头是栅极向S极和D极的PN结方向，这就是为什么同样是N沟道，结型和绝缘栅型的箭头