结型场效应晶体管的结构及原理

1.结型场效应晶体管的结构及原理

根据沟道类型的不同，结型场效应晶体管可分为N沟道和P沟道两种类型，图3-1、图3-2分别为N沟道和P沟道结型场效应晶体管的结构示意图和电路符号。图3-1中，在一块N型半导体两侧扩散生成两个高掺杂浓度的P⁺区，从而形成两个P⁺N结。在N型半导体两端各引出一个电极，分别称为源极S和漏极D。两个P⁺区连接后引出一个电极，称为栅极G。P⁺区与N区交界面形成耗尽层，两个P⁺N结的耗尽层之间的N型区域称为导电沟道。

图3-1 N沟道结型场效应晶体管

a）结构示意图 b）电路符号

图3-2 P沟道结型场效应晶体管

a）结构示意图 b）电路符号

N沟道结型场效应晶体管正常工作时，应在其栅—源极之间加反向电压（即u_GS＜0），使两个PN结反偏；当在漏—源极之间加正向电压（即u_DS＞0）时，在导电沟道内形成了漏极电流i_D。

（1）当u_DS=0时，u_GS对导电沟道的控制

当u_DS=0且u_GS=0时，两个P⁺N结均处于零偏状态，导电沟道很宽且沟道等宽，如图3-3a所示。当U_GS（off）＜u_GS＜0时，两个P⁺N结均处于反偏状态，随着|u_GS|的增大，导电沟道变窄，沟道电阻增大，导电能力下降，如图3-3b所示。当u_GS增大到某一数值时，沟道两侧耗尽层相遇，导电沟道消失，称为“夹断”，沟道电阻趋于无穷大，此时的|u_GS|值称为夹断电压U_GS（off），如图3-3c所示。

图3-3 u_DS=0时u_GS对导电沟道的控制作用

a）u_GS=0 b）U_GS（off）＜u_GS＜0 c）u_GS≤U_GS（off）

（2）当U_GS（off）＜u_GS＜0时，漏源电压u_DS对导电沟道的控制

当U_GS（off）＜u_GS＜0时，若u_DS=0，则uGS变化时，导电沟道的宽度发生变化，导致导电沟道电阻变化。但是，由于漏—源极电压u_DS=0，则导电沟道内的自由电子不会产生定向运动，所以漏极电流i_D=0。

当U_GS（off）＜u_GS＜0时，若u_DS＞0，则u_GS＜0使耗尽层变宽，导电沟道变窄；若u_DS＞0，则导电沟道不等宽。随着|u_GS|的增大，导电沟道变窄，沟道电阻增大，在同样的u_DS作用下所产生的电流i_D减小。u_GD=u_GS-u_DS，当u_DS逐渐增大时，u_GD逐渐减小，导致靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄，如图3-4a所示。当u_DS=U_GS（off）时，则漏极一边的导电沟道闭合，如图3-4b所示。若u_DS继续增大时，闭合部分沿沟道方向延伸，如图3-4c所示。

图3-4 U_GS（off）＜u_GS＜0且u_DS＞0时对导电沟道的控制作用

a）u_GD＞U_GS（off） b）u_GD=U_GS（off） c）u_GD＜U_GS（off）

（3）当u_GD＜U_GS（off）时，u_GS对导电沟道的控制

当u_GD=u_GS-u_DS＜U_GS（off）时，在uDS为常量的情况下，对于确定的栅—源极电压u_GS就有确定的漏极电流i_D。i_D仅仅取决于u_GS而与u_DS无关。体现了栅—源极电压u_GS对漏极电流i_D的控制作用。因此可以通过u_GS来控制i_D的大小。与晶体管用β来描述i_B对i_C的控制作用类似，场效应晶体管用g_m（跨导）来描述u_GS对i_D的控制作用。

2.结型场效应晶体管的特性曲线(www.xing528.com)

结型场效应晶体管的特性曲线有两种：输出特性曲线和转移特性曲线。

（1）输出特性曲线

在一定的栅—源极电压u_GS下，漏—源极电压u_DS与漏极电流i_D之间的关系曲线称为输出特性，其关系式为

i_D=f（u_DS）|_uGS=常数 （3-1）

对应于一个固定的u_GS就有一条曲线，因此输出特性为一簇曲线，如图3-5所示。

由图3-5可知，结型场效应晶体管的输出特性曲线可以划分为四个区：可变电阻区、恒流区、夹断区和击穿区。

输出特性曲线最左侧的部分称为可变电阻区，该区域中曲线近似为不同斜率的直线。图3-5最左侧的虚线为预夹断轨迹（满足u_DS=u_GS-U_GS（off）的点的连线），可变电阻区位于预夹断轨迹左侧，在此区域，u_DS比较小，导电沟道还没有发生预夹断。当u_GS确定时，直线的斜率也唯一地被确定。不过当u_GS的值不同时，直线的斜率不同，即相当于电阻的阻值不同。u_GS越负，则相应的电阻值也越大。因而在该区场效应晶体管的特性呈现为一个由u_GS控制的可变电阻，所以称为可变电阻区。

图3-5 结型场效应晶体管的输出特性曲线

输出特性曲线的中间部分为恒流区，即左右两条虚线之间的区域，预夹断轨迹右侧（即u_DS＞u_GS-U_GS（off））区域。此区域的特点是：i_D基本上不随u_DS变化，i_D的值主要决定于u_GS。各条输出特性曲线近似为水平的直线，故称为恒流区。工作在该区域的场效应晶体管可看作是一个电压控制的电流源。利用场效应晶体管做放大管时，应使其工作在该区域。

输出特性曲线靠近横轴的区域为夹断区。在此区域，u_GS＜U_GS（off），即|u_GS|＞|U_GS（off）|。此区域的特点是：i_D=0，导电沟道被夹断。

输出特性曲线的最右侧部分，表示当u_DS升高到一定程度时，反向偏置的P⁺N结被击穿，i_D将突然增大，这个区域称为击穿区。为了保证器件的安全，场效应晶体管的工作点不应进入到击穿区内。

（2）转移特性曲线

图3-6为N沟道结型场效应晶体管的转移特性曲线。转移特性曲线是指当漏—源极电压u_DS为常量时，漏极电流i_D与栅—源极电压u_GS之间相互关系，即

结型场效应晶体管的转移特性表示u_GS对i_D的控制作用。从转移特性曲线中可以看出，当u_GS=0时，i_D达到最大值，此时的漏极电流称为饱和漏极电流I_DSS。u_GS越负，iD越小，当i_D=0时，导电沟道完全被夹断，此时的u_GS=U_GS（off）。

对于N沟道结型场效应晶体管，当工作在恒流区时，漏极电流i_D的近似表达式为

由式（3-3）可知，i_D和u_GS不是线性关系，所以结型场效应晶体管是一种非线性器件。

图3-6 结型场效应晶体管的转移特性曲线