場效應(yīng)管——分類、結(jié)構(gòu)以及原理

2017-08-11 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應(yīng)管,是較新型的半導(dǎo)體材料,利用電場效應(yīng)來控制晶體管的電流,因而得名。它只有一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件,是一種用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)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(yīng)管的結(jié)構(gòu)來劃分,它有結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管之分。

1.結(jié)型場效應(yīng)管

(1) 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示,它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié),形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)P區(qū)即為柵極,N型硅的一端是漏極,另一端是源極。

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結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 結(jié)型場效應(yīng)管工作原理

以N溝道為例說明其工作原理。

當(dāng)VGS=0時(shí),在漏、源之間加有一定電壓時(shí),在漏源間將形成多子的漂移運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生漏極電流。當(dāng)VGS<0時(shí),PN結(jié)反偏,形成耗盡層,漏源間的溝道將變窄,ID將減小,VGS繼續(xù)減小,溝道繼續(xù)變窄,ID繼續(xù)減小直至為0。當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。

(3)結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線

結(jié)型場效應(yīng)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(zhuǎn)移特性曲線(ID=f(VGS)|VDS=常量)。

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線如下圖所示。

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(a) 漏極輸出特性曲線 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線

N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線

2. 絕緣柵場效應(yīng)三極管的工作原理

絕緣柵場效應(yīng)三極管分為:

耗盡型→N溝道、P溝道

增強(qiáng)型→N溝道、P溝道

(1)N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

N溝道耗盡型的結(jié)構(gòu)和符號(hào)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(dāng)VGS=0時(shí),這些正離子已經(jīng)感應(yīng)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(dāng)VGS>0時(shí),將使ID進(jìn)一步增加。VGS<0時(shí),隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓,用符號(hào)VGS(off)表示,有時(shí)也用VP表示。

N溝道耗盡型的轉(zhuǎn)移特性曲線如下圖(b)所示。

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(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線

(2)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管,結(jié)構(gòu)與耗盡型類似。但當(dāng)VGS=0 V時(shí),在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。當(dāng)柵極加有電壓時(shí),若VGS>VGS(th)時(shí),形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在VGS=0V時(shí)ID=0,只有當(dāng)VGS>VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流,這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。

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VGS(th)——開啟電壓或閥電壓;

(3)P溝道增強(qiáng)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(dǎo)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。

3 場效應(yīng)管伏安特性曲線

場效應(yīng)管的特性曲線類型比較多,根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同以及是增強(qiáng)型還是耗盡型可有四種轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線,其電壓和電流方向也有所不同。如果按統(tǒng)一規(guī)定的正方向,特性曲線就要畫在不同的象限。為了便于繪制,將P溝道管子的正方向反過來設(shè)定。有關(guān)曲線繪于下圖之中。

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4.各種場效應(yīng)管特性比較