场效应晶体管的主要特性

1.综述

场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）设有三个电极，分别称作栅极（用字母G表示）、漏极（用字母D表示）、源极（用字母S表示）。

按栅极结构分类，场效应晶体管有结型和绝缘栅型两大类型。在场效应晶体管的结构内，连接漏极D、源极S之间的导电物质是N（或P）型半导体，没有PN结，称为导电沟道。每种场效应晶体管都有N沟道和P沟道之分。按导电沟道的状态变化分类，绝缘栅型场效应晶体管又有耗尽型和增强型两种类型。导电沟道的电流大小与沟道的截面积成正比，而沟道的截面积受栅极电压控制。各类场效应晶体管的字母符号都用VF，图形符号见表2-9。

表2-9 场效应晶体管的图形符号

2.场效应晶体管的特点

由于场效应晶体管的输出电流由沟道材料中的多子形成，不穿越PN结，属于单极型，而漏极电流是受栅极电压控制，所以场效应晶体管的以下几个特点是双极型晶体管不能相比的。

1）场效应晶体管的输入电阻很大，结型场效应晶体管的输入电阻为10⁸～10⁹ Ω，输入电流极小；绝缘栅型场效应晶体管的输入电阻可达10¹⁴ Ω，输入电流几乎为零。

2）单极性导电，温度稳定性较好、噪声低（双极型晶体管存在少子杂乱运动引起的散粒噪声）。

3）功耗低、动态范围大、没有二次击穿现象、安全工作区域宽。

在集成电路技术中，平面结构的双极型晶体管已被纵深结构的绝缘栅型场效应晶体管所取代。

3.场效应晶体管的特性

（1）场效应晶体管的输出特性。场效应晶体管的输出特性曲线也叫漏极特性曲线，反映场效应晶体管漏极电流I_D与漏极-源极之间的电压U_DS之间关系。同种导电沟道的三类场效应晶体管的输出特性曲线的形状相似，N沟道场效应晶体管的漏极特性曲线如图2-39所示。

场效应晶体管的漏极特性曲线是由若干条形状相似的曲线组成的曲线簇，一条曲线对应一个U_GS值控制下的I_D随漏极-源极之间的电压U_DS变化的情况。每条曲线都有上升段、平直段和再次上升段三部分。

按照场效应晶体管的工作原理，漏极电流I_D由导电沟道中的多子在U_DS作用下定向移动形成，而导电沟道的截面是受U_GS控制的。曲线上升段显示的是沟道中参与导电的多子数量随U_DS提高而增加的过程；当沟道中全部多子都参与导电时称为饱和，饱和状态下的漏极电流I_D就不能再随U_DS变化，形成曲线的平直段，呈现恒流态；当U_DS增大到可使电子挣脱共价键束缚的时候，电流I_D就会明显增大，出现曲线的再次上升段。

这个曲线簇可以划分成可变电阻区、饱和区和击穿区三个区域。

Ⅰ区称为可变电阻区，由每条曲线的上升段组成。在可变电阻区内，I_D的大小不仅与U_DS值有关（上升段体现沟道中参与导电的多子数量随U_DS变化关系），还与U_GS值有关（U_GS控制沟道截面变化，即沟道中多子的最大数量）。

Ⅱ区称为饱和区，由每条曲线的平直段组成，也叫恒流区。在饱和区内，I_D只与U_GS值对应，而与U_DS值变化无关。

图2-39 N沟道场效应晶体管的漏极特性曲线

a）结型 b）耗尽型 c）增强型(www.xing528.com)

Ⅲ区称为击穿区，由每条曲线的再次上升段组成。为保证场效应晶体管工作安全，应限定漏极电源电压或加限流保护措施，否则会使进入击穿区的场效应晶体管损坏。

从形状看，N沟道场效应晶体管的漏极特性曲线与NPN型晶体管的输出特性曲线相似。因此，场效应晶体管和NPN型晶体管一样，也有放大和开关两种工作状态。

（2）场效应晶体管的输入特性。场效应晶体管的输入特性直接反映输入电压对输出电流的控制关系，所以又叫转移特性。结型、耗尽型、增强型三种N沟道场效应晶体管的转移特性曲线如图2-40所示。

图2-40 N沟道场效应晶体管的转移特性曲线

a）结型 b）耗尽型 c）增强型

转移特性决定着场效应晶体管栅极的偏置特点，由此也就决定了各类场效应晶体管的应用特点。

结型场效应晶体管的栅极PN结，要在反向加电状态下发挥控制作用，为简化偏置，结型场效应晶体管多用于开关电路。驻极体传声器就是结型场效应晶体管的一例典型应用。

耗尽型场效应晶体管的栅极与源极之间所加的电压可为正值、负值，也可为零，可以在无偏置环境中发挥放大作用。

增强型场效应晶体管的转移特性曲线中有U_GS（th），称为开启电压，表示导电沟道被接通。开启电压U_GS（th）相当于普通晶体管输入特性曲线上的死区电压，做交流放大时与普通晶体管一样需要适当工作点。增强型场效应晶体管多用于高静噪或高阻输入的放大电路的第一级，如电视高频头中的高频放大输入级。

将N沟道场效应晶体管的输入、输出特性曲线以坐标原点为对称点旋转180°就是P沟道场效应晶体管的特性曲线。

4.场效应晶体管的使用注意事项

绝缘栅型场效应管的输入电阻极高，很容易感应电荷把栅极绝缘层击穿而造成管子损坏。保护绝缘栅型场效应管的要点是“不能让栅极悬空”。为此，存放时必须将管子的三个极短接，也不要将管子放在静电场很强的地方，必要时可将管子放在屏蔽盒内。焊接时必须有相应的防静电措施，应将电烙铁外皮接地或从电源上拔下来再使用，要先焊栅极。

5.驻极体传声器的结构与检测

驻极体传声器（简称驻极传声器），属于电容式传声器，以其体积小、灵敏度高、频响特性平坦等特点而得到广泛使用。它的主体结构是由驻极体（能永久保持正电荷的塑料）薄膜与导体背极组成的带电电容和场效应晶体管，电容为场效应晶体管提供负偏压。已驻入电荷的薄膜电容具有类似压电效应的作用，可将薄膜的振动转换为相应的电压信号，但该信号微弱，而且电容阻抗高，不能与普通电路匹配，因此加用一只结型场效应晶体管，将微弱信号放大并降低阻抗。

驻极体传声器可用万用表对其直接检测，如图2-41所示。

图2-41 驻极传声器的内部结构及检测

a）驻极传声器的内部结构及万用表检测接线方式 b）驻极体传声器的电路结构

驻极传声器的灵敏度受工作电流制约，检测驻极体传声器时，万用表应选用R×100电阻挡位以适应传声器内场效应晶体管所需的电流。黑表笔接传声器的正极（场效应晶体管的D极），红表笔接传声器的外壳（负极，场效应晶体管的S极），然后对传声器正面短促吹气，同时观察指针摆动情况，摆动幅度越大说明越灵敏。