FET操作(FET的工作原理)

场效应晶体管是一种比较新型的半导体材料，利用电场效应来控制晶体管的电流，因此而得名。它的外观也是三极管，所以也叫场效应三极管。它是一种只有一个载流子参与导通的半导体器件，是一种输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与传导的载流子来分，它有以电子为载流子的N沟道器件和以空空穴为载流子的P沟道器件。根据场效应管的结构，可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管。

1.结型场效应晶体管

(1)结构

N沟道结型场效应晶体管的结构如图1所示。它是在N型半导体硅片的两面制作两个PN结，形成两个PN结夹着的N型沟道的结构。两个p区是栅极，n型硅的一端是漏极，另一端是源极。

图1

图1结型场效应晶体管的结构

(2)工作原理

以N通道为例说明其工作原理。

当UGS=0时，在漏极和源极之间施加一定的电压，漏极和源极之间会产生多光子的漂移运动，产生漏极电流。当UGS0时，ID会进一步增加。出现漏极电流之前的UGSUGS(th)。这种MOS晶体管被称为增强型MOS晶体管。

N沟道增强型MOS晶体管的传输特性曲线如图4所示。

图4

图4传递特性曲线

(3)P沟道金属氧化物半导体晶体管

P沟道MOS晶体管的工作原理与N沟道MOS晶体管完全相同，只是导电载流子不同，电源电压极性不同。就像双极晶体管有NPN和PNP两种类型。

3个主要参数

(1) DC参数

指耗尽型MOS的夹断电压UGS = UGS = UGS(关)，增强型MOS晶体管的导通电压UGS(th)，耗尽型FET的饱和漏极电流IDSS(UGS = 0时对应的漏极电流)，输入电阻RGS。

(2)低频跨导gm

Gm可以从以mS(毫西门子)为单位的传递特性曲线中获得。

(3)最大漏极电流IDM

场效应半导体三极管

场效应半导体三极管是只有一个载流子参与导通的半导体器件，是利用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与传导的载流子来分，它有以电子为载流子的N沟道器件和以空空穴为载流子的P沟道器件。根据场效应晶体管的结构，可分为结型场效应晶体管jfet(结型场效应晶体管)和绝缘栅型场效应晶体管igfet(绝缘栅场效应晶体管)。IGFET也称为金属氧化物半导体晶体管MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。

2.2.1绝缘栅场效应晶体管的工作原理

栅极场效应晶体管(MOSFET)分为:

增强型→N通道、p通道

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02.13。d(漏极)称为漏极，相当于双极晶体管的集电极；

G(Gate)称为Gate，相当于的基数；

s(源)称为源，相当于发射极。

(1) n沟道增强型MOSFET

①结构

根据图02.13，N沟道增强型MOSFET基本上是左右对称的拓扑结构，在P型半导体上形成SiO2薄膜绝缘层，然后通过光刻扩散两个高掺杂的N型区域，从N型区域引出电极，一个是漏极D，另一个是源极s，在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层铝作为栅极G..p型半导体称为衬底，用符号b表示。

图02.13

图02.13沟道增强型MOSFET的原理图和符号

②工作原理

1.栅源电压VGS的控制功能

当VGS=0 V时，在漏极和源极之间的后面有两个二极管。在D和S之间加电压不会在D和S之间形成电流。

当电压施加到栅极时，如果0

进一步增加VGS，当VGS>VGS(th) (VGS(th)称为导通电压)时，由于此时的栅极电压已经比较强，更多的电子聚集在靠近栅极底部的p型半导体表层，可以形成一个沟道来沟通漏极和源极。如果此时施加漏极-源极电压，可以形成漏极电流ID。在栅极下形成的导电沟道中的电子被称为反型层，因为它们的极性与p型半导体的载流子空空穴相反。随着VGS的不断增加，ID也将不断增加。当VGS=0V时，ID=0。只有当VGS>VGS(th)时，漏极电流才会出现。这种MOS晶体管被称为增强型MOS晶体管。

VGS和漏极电流的关系可以用iD=f(vGS)？VDS =常数曲线的描述称为过渡特性曲线，如图02.14所示。

图02.14

02.14传递特性曲线

转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏电流的控制作用。gm的量纲是mA/V，所以gm也叫跨导。

交叉的定义如下:

2.漏源电压VDS对漏电流ID的控制作用

当VGS>VGS(th)固定在某一值时，分析了漏源电压VDS对漏电流ID的影响。不同的VDS变化对信道的影响如图02.15所示。根据该图，可以有以下关系

当VDS为0或更小时，相当于VGD>VGS(th)，通道分布如图02.15(a)所示。此时，VDS基本上均匀地落在通道中，通道呈对角线分布。靠近漏极，沟道不仅仅是开放的，电流在漏极和源极之间流动。

当增加VDS使VGD=VGS(th)时，信道如图02.15(b)所示。这相当于VDS的增加使漏极的沟道减小到刚好打开的情况，称为预夹断。此时，漏极电流ID基本饱和。当VDS增加到VGD时。在VGS(th)，信道如图02.15(c)所示。此时，预夹断区被拉长并延伸到S极。VDS增加的部分基本落在随之加长的夹断通道上，ID趋于不变。

图02.15

02.15漏源电压VDS对沟道的影响(动画2-5)

当VGS>VGS(th)并固定在某一值时，VDS对ID的影响，即iD=f(vDS)？VGS =常数的关系曲线如图02.16所示。这条曲线称为漏极输出特性曲线。

图02.16

(a)输出特性曲线(b)传递特性曲线

02.16漏极输出特性曲线和转移特性曲线

(2)N沟道耗尽型MOSFET

N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图02.17(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS>0时，将使ID进一步增加。VGS