结型场效应晶体管的类型和构造详解

1.结型场效应晶体管的类型和构造

结型场效应晶体管有N沟道和P沟道两种类型，N沟道结型场效应晶体管的结构示意图和符号如图6-79a和图6-79b所示。

由图6-79a可见，N沟道结型场效应管的结构是：在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，从连接点引出的管脚称为栅极，用字母“g”来表示。从N型半导体两端引出的两个电极，分别称为源极和漏极，用字母“s”和“d”来表示。

因“s”和“d”之间的导电沟道是由N型半导体组成的，所以称为N沟道结型场效应晶体管。因栅极是P型半导体，栅极和沟道交界处PN结箭头的方向是由P指向N，所以N沟道结型场效应晶体管符号中的箭头也是由栅极g指向沟道N。因场效应晶体管参与导电的载流子只有一种，所以场效应晶体管又称为单极型晶体管。

根据相同的构造原理也可以制作P沟道结型场效应晶体管，P沟道结型场效应晶体管的结构示意图和符号如图6-80a和图6-80b所示。

由图6-80b可见，N沟道和P沟道结型场效应晶体管的符号差别仅在箭头的方向上，记住PN结箭头的方向是由P指向N的，就记住了两种类型场效应晶体管符号的差别。

图6-79 N沟道结型场效应晶体管

图6-80 P沟道结型场效应晶体管

2.结型场效应晶体管的工作原理

为了使N沟道结型场效应晶体管能正常的工作，应在场效应晶体管的栅-源之间加负向电压，即u_gs要小于零，以保证PN结的耗尽层承受反向电压；在漏-源之间加正向电压，即u_ds要大于零，以形成漏极电流i_d。场效应晶体管工作时，u_gs＜0既保证了栅-源之间高阻抗的要求，又可实现对沟道电流的控制作用。下面通过讨论栅-源电压u_gs和漏-源电压u_ds对导电沟道形状的影响来说明场效应晶体管的工作原理。

（1）当u_ds=0（即ds短路）时，u_gs对导电沟道的控制作用

当u_ds等于零，且u_gs也等于零时，PN结的耗尽层很窄，导电沟道很宽，如图6-81a所示；图6-81b显示出，当u_gs增大时，耗尽层加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大的情况；图6-81c显示出，当u_gs增大到某一值时，耗尽层闭合，导电沟道消失，沟道电阻趋于无穷大的情况。出现这种情况的u_gs对应值称为场效应晶体管的夹断电压，用符号U_gs（off）来表示。

图6-81 U_gs对导电沟道控制作用的原理图

（2）当u_gs的取值为U_gs（off）～0的某一个值时，u_ds对漏极电流i_d的影响

当u_gs的取值为U_gs（off）～0的某一个值时，场效应晶体管内存在着由u_gs所确定的导电沟道，在u_ds=0的情况下，漏极电流i_d也等于零。

在u_ds＞0的情况下，将有电流i_d从漏极流向源极，使导电沟道中的各点与栅极之间的电压不再相等，电压大小的分布规律是，从d到s逐渐减小，这种结果造成导电沟道的宽度从s到d逐渐减小，如图6-82a所示。

因为栅-漏电压u_gd=u_gs-u_ds，所以当u_ds从零逐渐增大时，u_gd逐渐减小，即栅极和沟道之间的反向偏置电压增大，靠近漏极一边的导电沟道将随之变窄。在栅-漏之间不出现夹断区的情况下，沟道电阻仍然由栅-源电压u_gs来决定，漏极电流i_d将随u_ds的增大而增大，导电沟道呈电阻的特性。

图6-82 i_d随u_ds变化的原理图

当u_ds增大到使u_gd等于u_gs（off）时，漏极一边的导电沟道将闭合，在栅-漏之间出现夹断区的现象，如图6-82b所示。当u_ds继续增大时，将出现u_gd＜u_gs（off），栅-漏之间的夹断区将加长，如图6-82c所示。当这种情况出现时，夹断区加长引起漏极电流i_d的减小和u_ds增大引起漏极电流i_d增大的作用相互抵消，导电沟道呈现恒流的特性，可把处于这种工作状态下的场效应晶体管看成恒流源。(www.xing528.com)

（3）当u_gd＜u_gs（off）时，ugs对漏极电流i_d的控制作用

在u_gd=u_gs-u_ds＜u_gs（off）的情况下，由上面的讨论可知，若u_ds等于某一常量，对应于确定的u_gs，将有一个确定的漏极电流i_d。当u_gs变化时，漏极电流i_d也将随着发生变化，实现用u_gs控制漏极电流i_d的目的。

由于场效应晶体管的漏极电流i_d受栅-源电压u_gs的控制，所以场效应晶体管称为电压控制元件。与晶体管混合π参数模型讨论问题的方法一样，也是用跨导g来描述输入电压u_gs对输出电流i_d控制作用的大小，跨导g的定义式为

3.结型场效应晶体管的特性曲线和电流方程

（1）输出特性曲线

输出特性曲线描述当栅-源电压u_gs为常量时，漏极电流i_d与漏-源电压u_ds之间的函数关系，即

i_d=f（u_ds）|u_gs=const （6-105）

由实验可得场效应晶体管的输出特性如图6-83所示。由图6-83可见，场效应晶体管的输出特性曲线与晶体管的输出特性曲线很相似，也是一个曲线族，曲线族中的每一条曲线分别对应一个确定的u_gs值。它也有三个工作区，分别称为可变电阻区、恒流区和夹断区。

可变电阻区位于图中预夹断轨迹曲线的左侧，因该区域导电沟道的特性与阻值可变的电阻相类似，所以称为可变电阻区。

恒流区位于图中预夹断轨迹的右侧，因该区域导电沟道的特性与恒流源的特性相类似，所以该区域称为恒流区。

图6-83 输出特性曲线

夹断区位于图中靠近横轴的部分，因该区域的特点是u_gs＜U_gs（off），导电沟道被夹断，漏极电流i_d约等于零，该区域的导电沟道呈现夹断不导电的状态，所以该区域称为夹断区。

另外图6-83还给出了当u_ds太大时，将管子击穿的击穿区，场效应晶体管不允许工作在击穿区。

（2）转移特性曲线

转移特性曲线描述当漏-源电压u_ds为常量时，漏极电流i_d与栅-源电压u_gs之间的函数关系，即

转移特性曲线反映了场效晶体应管输入电压对输出电流控制作用的大小，当场效应晶体管工作在恒流区时，根据实验可得场效应晶体管的转移特性曲线如图6-84所示。

根据半导体理论可得工作在恒流区的场效应晶体管转移特性曲线的表达式为

式中，I_DSS是u_gs=0时的i_d值，称为漏极饱和电流。