1、结型场效应管的工作原理N 沟道和 P 沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以 N 沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。N 沟道结型场效应管工作时，需要外加如图 1 所示的偏置电压，即在栅 -源极间加一负电压( vGS0) ，使栅-源极间的 P+N 结反偏，栅极电流 iG0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达 108左右)。在漏-源极间加一正电压 (vDS0)，使N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流 iD。i D 的大小主要受栅-源电压 vGS 控制，同时也受漏-源电压 vDS 的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压 vGS 对沟道电阻及漏
2、极电流iD 的控制作用，以及漏-源电压 vDS 对漏极电流 iD 的影响。转移特性：在 uDS 一定时, 漏极电流 iD 与栅源电压 uGS 之间的关系称为转移特性。 ()|Dgsdsuif常 数在 UGS(off) uGS0 的范围内, 漏极电流 iD 与栅极电压 uGS 的关系为2()(1GSDSofuiI543210-1-2-3-4uDS=12 V uGS/ViD / mAIDSUGS(of)2) 输出特性：输出特性是指栅源电压 uGS 一定, 漏极电流 iD 与漏极电压 uDS 之间的关系。()|Dsgsduif常 数0123452 46 81012141618iD / mAuDS /
3、 V夹 断 区可变电阻区-4 V-3 V-2 V-1 V 击穿区恒 流 区 (放 大 区 )uDS0 V1v GS 对沟道电阻及 iD 的控制作用图 2 所示电路说明了 vGS 对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏 -源极间所加的电压 vDS=0。当栅-源电压 vGS=0 时，沟道较宽，其电阻较小，如图 2(a)所示。当 vGSVT 且为一确定值时，漏-源电压 vDS 对导电沟道及电流 iD 的影响与结型场效应管相似。漏极电流 iD 沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为 vGD=vGS - vDS，因而这里
4、沟道最薄。但当 vDS 较小（v DS0，V PvGS0 的情况下均能实现对 iD 的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型 MOS 管的一个重要特点。图 1(b)、(c)分别是 N 沟道和 P 沟道耗尽型 MOS 管的代表符号。在饱和区内，耗尽型 MOS 管的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即 2(1)GSDSPViI砷化镓金属-半导体场效应管砷化镓（GaAs）是由化学元素周期表中族元素镓和族元素砷二者组成的单晶化合物，因此，它又叫做-化合物，是一种新型半导体材料。它的特性与周期表中族元素硅类似，但重要的差别之一是，GaAs 的电子迁移率比硅约大 51
5、0 倍。用 GaAs 制造有源器件时，具有比硅器件快得多的转换速度（例如在截止、饱和导通间变化）。高速砷化镓三极管正被用于微波电路、高频放大和高速数字逻辑电路中。由砷化镓制造的场效应管叫做金属-半导体场效应管（MES-FET），它具有速度高等优点，应用广泛。N 沟道 MESFET 的物理结构和电路符号分别如图 1(a)、(b)所示 。图(a)表明，在 GaAs 衬底上面形成 N 沟道，然后在 N 沟道两端利用光刻、扩散等工艺掺杂成高浓度 N+区，分别组成漏极 d 和源极 s。当 MESFET 的栅区金属（例如铝）与 N 沟道表面接触时，将在金属-半导体接触处形成肖特基势垒区，它和硅JFET 中
6、栅极、沟道间的 PN 结相似。MESFET 的肖特基势垒区也要求外加反偏电压，v GS 愈负，肖特基势垒区愈宽， N 沟道的有效截面积愈小，沟道电阻越大，因此，漏极电流 iD 将随 vGS 变化。MESFET 的输出特性与硅 JFET 相似，属于耗尽型器件，有一夹断电压 Vp。（ 肖 特 基 势 垒 是 指 具 有 整 流 特 性 的 金 属 -半 导 体 结 ， 适 合 用 于 二 极 管 。 肖 特 基 势 垒与 PN 结 最 大 的 区 别 是 其 典 型 的 低 结 电 压 ， 减 小 金 属 的 (几 乎 不 存 在 )耗 尽 区 宽 度 。 但 并 不 是 所 有 的 有 整 流
7、特 性 的 金 属 -半 导 体 结 都 是 肖 特 基 势 垒 . 金 属 -半 导 体 结 没有 整 流 特 性 的 叫 做 欧 姆 接 触 .。 整 流 属 性 取 决 于 金 属 的 功 函 、 固 有 半 导 体 的 带 隙 ， 以 及类 型 和 半 导 体 的 掺 杂 浓 度 。 ）由于砷化镓的电导率很低，用作衬底时对相邻器件能起良好的隔离作用。为了减少管子的开关时间，通常 MESFET 的导电沟道做得短，这样，由于 vDS产生的沟道长度调制效应就变得明显，即使在恒流区，i D 也随 vDS 而变，这是与硅 JFET 不同之处。具体地说，MESFET 遵循下列等式关系：截止区（ ）
8、可变电阻区（v DSvGSVP）恒流区（v DSvGSVP）其中常数 叫做沟道长度调制参数，通常在（0.05 0.2）V 1 范围，N 沟道MESFET 器件 VP 的典型值是（0.5 2.5）V。常数 K 的单位为 mA/V2。使用场效应管的注意事项1从场效应管的结构上看，其源极和漏极是对称的，因此源极和漏极可以互换。但有些场效应管在制造时已将衬底引线与源极连在一起，这种场效应管的源极和漏极就不能互换了。2场效应管各极间电压的极性应正确接入，结型场效应管的栅-源电压vGS 的极性不能接反。3当 MOS 管的衬底引线单独引出时，应将其接到电路中的电位最低点（对 N 沟道 MOS 管而言）或电位
9、最高点（对 P 沟道 MOS 管而言），以保证沟道与衬底间的 PN 结处于反向偏置，使衬底与沟道及各电极隔离。4MOS 管的栅极是绝缘的，感应电荷不易泄放，而且绝缘层很薄，极易击穿。所以栅极不能开路，存放时应将各电极短路。焊接时，电烙铁必须可靠接地，或者断电利用烙铁余热焊接，并注意对交流电场的屏蔽。1场效应管的源极 s、栅极 g、漏极 d 分别对应于三极管的发射极 e、基极b、集电极 c，它们的作用相似。 2场效应管是电压控制电流器件，由 vGS 控制 iD，其放大系数 gm 一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由 iB（或iE）控制 iC。3场效应管栅极几乎不取电
10、流（i g0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。4场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。5场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大， 值将减小很多。6场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。7场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。4.3.4 各种场效应管特性比较 各类 FET 的特性如下表所示。
