場效應(yīng)晶體管FET(Field Effect Transistor)簡稱場效應(yīng)管，是利用電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制輸出電流的大小的，它和晶體三極管一樣具有放大作用。

  場效應(yīng)管不僅具有一般晶體三極管體積小、重量輕、壽命長等特點(diǎn)，而且還有輸入阻抗高、噪聲低、易于制造、便于集成等優(yōu)勢，故被廣泛應(yīng)用于集成電路中。

   根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，場效應(yīng)管通常分為結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和絕緣柵場效應(yīng)管(IGFET)兩大類。本章首先介紹了兩種場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、工作原理及其特性曲線；分析比較場效應(yīng)管與晶體三極管的特點(diǎn)，闡述了其主要參數(shù)；最后介紹了場效應(yīng)管的兩種基本放大電路——共源放大電路及共漏放大電路，我們應(yīng)掌握其偏置電路、交流等效電路分析法及其性能指標(biāo)的計(jì)算。



3.1 結(jié)型場效應(yīng)管



3.1.1 結(jié)型場效應(yīng)管基本結(jié)構(gòu)和類型

結(jié)型場效應(yīng)管可分為N溝道和P溝道兩種類型。它們的結(jié)構(gòu)示意圖及相應(yīng)的電路符號見圖3.1。圖3.1(a)是N溝道結(jié)型場效管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路符號。它在一塊N型半導(dǎo)體材料兩側(cè)，通過高濃度擴(kuò)散制造兩個(gè)重?fù)诫s的P+型區(qū)，形成兩個(gè)P+N結(jié)。把兩個(gè)P+區(qū)接在一起形成一個(gè)電極，稱為柵極（G）。中間的N型區(qū)是載流子的流通路徑，稱之為導(dǎo)電溝道，在它的兩端分別引出兩個(gè)電極，分別稱為源極（S）和漏極（D）。所以這一器件從外部看也有三條電極引線，從內(nèi)部看也是背靠背的兩個(gè)PN結(jié)。由于它的導(dǎo)電溝道為N型半導(dǎo)體，故取名N溝道結(jié)型FET。圖3.1(b)是P溝道JFET的結(jié)構(gòu)及電路符號，它與N溝道JFET相類似，只是導(dǎo)電溝道變?yōu)镻 型半導(dǎo)體。圖中柵極G的箭頭方向表示了GS之間PN結(jié)的正偏方向。



3.1.2 結(jié)型場效應(yīng)管的基本工作原理

場效應(yīng)管是利用電壓產(chǎn)生的電場效應(yīng)來控制輸出電流的大小的，其實(shí)質(zhì)就是通過改變加在柵源之間的反偏電壓UGS來改變PN結(jié)耗盡層的寬度，從而改變了導(dǎo)電溝道的寬度，也就是改變了導(dǎo)電溝道的電阻，最終實(shí)現(xiàn)對輸出電流ID的控制。

N溝道JFET在正常工作時(shí)，柵源之間所加電壓 UGS＜0，即柵源之間的PN結(jié)處在反偏狀態(tài)。若忽略反向電流，則柵極電流為零。這時(shí)漏源之間電流ID的大小由溝道呈現(xiàn)的電阻大小決定。而溝道電阻的大小則由溝道的半導(dǎo)體材料的電阻及尺寸決定，由于柵源之間的P+N加的是反偏電壓，故P+N結(jié)的空間電荷區(qū)寬度將隨反偏電壓增大而增大，而且空間電荷 區(qū)主要向溝道一側(cè)延伸，這樣，改變UGS的大小時(shí)就達(dá)到了控制溝道寬度的目的，從而實(shí)現(xiàn)了對溝道電阻的控制作用。當(dāng)漏源之間加有UDS＞0的電壓時(shí)，漏源電流ID就將隨UGS的變化而變化，進(jìn)而達(dá)到UGS對ID的控制目的。



在圖3.2所示的情況下，我們可以看到當(dāng)UDS＝0時(shí)，UGS變化對其導(dǎo)電溝道的影響。它表示了UGS對溝道寬度的控制作用。由圖可見，當(dāng)UGS＝0時(shí)，導(dǎo)電溝道最寬，若此時(shí)加的漏源電壓UDS，則相應(yīng)的ID最大。|UGS|越大，其導(dǎo)電溝道就越窄，相應(yīng)的溝道電阻就越大，因而當(dāng)漏源之間加有電壓UDS時(shí)，其漏極電流就越小。當(dāng)|UGS|增加到一個(gè)數(shù)值為||的電壓時(shí)，由于P+N結(jié)的耗盡區(qū)向溝道一側(cè)擴(kuò)展的結(jié)果，使溝道完全消失（即兩個(gè)P+N結(jié)的耗盡區(qū)完全合攏），如圖3.2(c)所示。這種狀態(tài)通稱為溝道的夾斷狀態(tài)，相應(yīng)的稱為夾斷電壓。此時(shí)JFET的漏源之間即使加有電壓UDS，也不會有溝道電流產(chǎn)生，即ID＝0。



由此我們可以知道，由于柵源之間加的反偏電壓，故從柵

極看進(jìn)去所呈現(xiàn)的阻抗很高；此外，依靠UGS產(chǎn)生的電場效

應(yīng)通過對P+N結(jié)耗盡區(qū)寬度的控制可以有效地實(shí)現(xiàn)對漏極電

流的控制作用，且當(dāng)UGS＜UP時(shí)，由于溝道夾斷，漏源之

間處在斷路狀態(tài)。

2.ＵDS對ID的影響

當(dāng)UGS＝0時(shí)，改變UDS對導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的影響，如圖3.3所示。當(dāng)N溝道JFET正常工作時(shí)，UDS＞0，即漏源之間為正極性電壓。在UGS＝UDS＝0時(shí)，靠近漏端與源端的溝道寬度一樣，即具有均勻的溝道寬度，如圖3.2(a)所示。當(dāng)UGS＝0，UDS＞0時(shí)，則靠近漏端的P+N結(jié)反偏電壓要大于靠近源端P+N結(jié)的反偏電壓，因此耗盡區(qū)向溝道一側(cè)延伸的寬度就不同了，導(dǎo)致靠近漏端的溝道寬度窄而靠近源端的溝道寬度寬。這種延溝道長度方向上溝道寬度的不均勻性是由UDS引起的。其具體解釋如下：因?yàn)閁DS＞0，漏源之間產(chǎn)生了一個(gè)較大電流，因?yàn)镮D的方向是從上到下，所以沿溝道的方向從上至下有一上電壓降落。設(shè)源極（最下面）電位為參考點(diǎn)，則溝道上各點(diǎn)的電位不同，最下面D點(diǎn)的電位最高，最下面源極處電位最低。PN結(jié)的反向偏壓數(shù)值在最上面靠近漏極D點(diǎn)最大，所以耗盡區(qū)最寬，而最下面源極S處為最小，所以耗盡區(qū)最窄，因而形成的耗盡區(qū)的形狀是上寬下窄。隨著UDS增加這種溝道寬度不均勻性將越發(fā)明顯。

一旦當(dāng)UDS＝－時(shí)，則靠近漏端就出現(xiàn)了溝道合攏的情況，如圖3.3(b)所示。這種狀態(tài)通常稱為預(yù)夾斷狀態(tài)。預(yù)夾斷與前面的夾斷是不一樣的，器件在預(yù)夾斷時(shí)，漏源之間有較大的電流流過。而夾斷狀態(tài)時(shí)，則ID＝0。當(dāng)器件到達(dá)預(yù)夾斷狀態(tài)后，若繼續(xù)加大UDS，則將會出現(xiàn)耗盡區(qū)的合攏點(diǎn)（預(yù)夾斷點(diǎn)）沿溝道向源極方向移動的現(xiàn)象，如3.3(c)所示。這將導(dǎo)致導(dǎo)電溝道變短，從而使溝道電阻略有減小，但變化不大，這是由于夾斷區(qū)是高阻區(qū)，外加電壓UDS的增量主要降落在預(yù)夾斷區(qū)，因而對溝道長度的影響甚小。這種隨UDS變化溝道長度隨之略有變化的現(xiàn)象稱為溝道長度調(diào)制效應(yīng)。可見，在溝道預(yù)夾斷之后，UDS變化對溝道電流ID的影響是很小的。場效應(yīng)管的這種工作狀態(tài)稱為恒流區(qū)（飽和區(qū)或放大區(qū)）。作為放大元器件，場效應(yīng)管就是工作在這一狀態(tài)。不過應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)UDS過大時(shí)，由于P+N結(jié)的反偏過大，將產(chǎn)生反向擊穿現(xiàn)象，工作時(shí)必須避免這種情況發(fā)生。