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場效應管的工作原理
瀏覽次數:348 次  發布時間:2017-04-10  

一、場效應管的工作原理- -概念

  場效應管(FET)是場效應晶體管(field-effect transistor)的簡稱,由于它僅靠半導體中的多數載流子導電,也稱為單極性場效應管,是一種常見的利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種電壓控制性半導體器件,場效應管不但具有雙極性晶體管體積小、重量輕、壽命長等優點,而且輸入回路的內阻高達107~1012Ω,噪聲低,熱穩定性好,抗輻射能力強,且比后者耗電省,這些優點使之從20世紀60年代誕生起就廣泛地應用于各種電子電路之中。


二、場效應管的工作原理- -結構

  所有的FET都有柵極g(gate)、漏極d(drain)、源極s(source)三個極,分別對應雙極性晶體管的基極b(base)、集電極c(collector)和發射極e(emitter)。除了結型場效應管外,所有的FET也有第四端,被稱為體(body)、基(base)、塊體(bulk)或襯底(substrate)。P區與N區交界面形成耗盡層,而漏極d與源極s間的非耗盡層區域稱為導電溝道。

三、場效應管的工作原理- -分類

  場效應管可以分為結型場效應管(JFET)和絕緣柵型場效應管(JGFET),結型場效應管(JFET)因有兩個PN結而得名,絕緣柵型場效應管(JGFET)則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。因為絕緣柵型場效應管的柵極為金屬鋁,故又稱為MOS管。

  場效應管按導電方式的不同來劃分,可分成耗盡型與增強型。當柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗盡型;當柵壓為零,漏極電流也為零,必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流的稱為增強型。

  無論是結型場效應管還是絕緣柵型場效應管,無論是耗盡型場效應管或是增強型場效應管,都可分為N溝道和P溝道,其結構分別如下圖所示:

四、場效應管工作原理- - 結型

  結型場效應管可分為N溝道結型場效應管和P溝道結型場效應管,下面我們就以N溝道為例對結型場效應管工作原理進行說明。

  為保證N溝道結型場效應管能正常工作,應在其柵-源之間加負向電壓(即uGS<0),以保證耗盡層承受反向電壓;在漏-源之間加正向電壓uDS,以形成漏極電流。柵-源之間負向電壓越大,PN結交界面所形成的耗盡區就越厚,導電溝道越窄,溝道電阻變大,漏極電流iD越小;相反,若柵-源之間負向電壓越小,則耗盡區就越薄,導電溝道越寬,溝道電阻變小,漏極電流iD越大。因此實現了場效應管的柵-源間負向電壓對溝道電流的控制。

  而對于P溝道結型場效應管,與N溝道原理類似,但要在其柵-源之間加正向電壓(即uGS>0)才能保證其能能正常工作。

五、場效應管工作原理- - 絕緣柵型

  以N溝道耗盡型MOS管為例,如果在制造MOS管時,在SiO2絕緣層中摻入大量正離子,那么即使uGS=0,在正離子作用下P型襯底表層也存在反型層,即漏-源之間存在導電溝道。只要在漏-源間加正向電壓,就會產生漏極電流,并且,uGS為正時,反型層變寬,溝道電阻變小,溝道電流iD增大;反之,uGS為負時,反型層變窄,溝道電阻變大,iD減小。而當uGS從零減小到一定值時,反型層消失,漏-源之間導電溝道消失,iD=0。實現了柵源電壓對漏極電流的控制。

六、場效應管工作原理- - 增強型

  以N溝道為例,在一個N溝道增強模式器件中,應在柵源間加正向電壓。正電壓吸引了體中的自由移動的電子向柵極運動,形成了導電溝道。但是首先,充足的電子需要被吸引到柵極的附近區域去對抗加在FET中的摻雜離子;這形成了一個沒有運動載流子的被稱為耗盡區的區域,這種現象被稱為FET的閾值電壓。更高的柵源電壓將會吸引更多的電子通過柵極,則會制造一個從源極到漏極的導電溝道;這個過程叫做"反型"。

七、場效應管工作原理- - 耗盡型

  在一個N溝道耗盡模式器件中,在柵源之間加負向電壓將會造成一個耗盡區去拓展寬度,從邊界侵入溝道,從而使溝道變窄。若耗盡區擴展至完全關閉溝道,則漏源間溝道電阻會變得很大,FET就會像開關一樣有效的關閉。類似的,在一個P溝道耗盡模式期器件中,在柵源之間加正向電壓將使溝道變寬,溝道電阻變小,使電流更易通過。

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