场效应晶体管的基本特性

晶体管中多数载流子和少数载流子都参与导电，所以又称为双极型晶体管，而场效应晶体管中只有多数载流子参与导电，所以称为单极型晶体管。场效应晶体管根据结构不同可分为两大类：结型场效应晶体管（Junction type Field Effect Transistor，JFET）和绝缘栅型场效应晶体管（Insulated Gate type Field Effect Transistor，IGFET）。对于绝缘栅型场效应晶体管来说，又分为增强型和耗尽型两种。而以上每一种又有N沟道和P沟道之分，如下所示：

1.结型场效应晶体管

结型场效应晶体管简称JFET，它是利用半导体内的电场效应来工作的，因而也称为体内场效应器件。结型场效应晶体管有N沟道和P沟道两类。

（1）结构与符号 图3-55所示为结型场效应晶体管的结构示意图及其图形符号。如图3-55a所示，在一块N型半导体材料两边分别扩散一个高浓度的P型区（用P+表示），形成两个PN结（耗尽层）。两个P⁺型区引出两条导线并接在一起作为一个电极，称为栅极G。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PN结中间的N型区称为导电沟道。这种管子称为N沟道结型场效应晶体管，简称NJFET。按照类似的方法，可以制成P沟道结型场效应晶体管，简称PJFET，如图3-55b所示。箭头方向表示PN结正向电流的流通方向。

（2）N沟道JFET的特性曲线

1）输出特性曲线。场效应晶体管的输出特性是指在栅源电压u_GS一定的情况下，漏极电流i_D与漏源电压u_DS之间的关系，即

图3-55 JFET的结构示意图及其图形符号

如图3-56所示为一N沟道结型场效应晶体管的输出特性曲线。图中，管子的工作情况可分为四个区域：

在Ⅰ区内，栅源电压为负，值愈大，输出特性愈倾斜，漏源间的等效电阻愈大。因此，在Ⅰ区中，场效应晶体管可看作一个受栅源电压u_GS控制的可变电阻，所以称为可变电阻区。

Ⅱ区称为饱和区或恒流区。场效应晶体管用作放大器时，一般就工作在这个区域，所以Ⅱ区也称为线性放大区。

图3-56 N沟道结型场效应晶体管输出特性曲线

Ⅲ区的特点是，当u_GS增至一定的数值后，由于加到沟道中耗尽层的电压太大，电场很强，致使栅漏间的PN结发生雪崩击穿，i_D迅速上升，因此Ⅲ区称为击穿区。进入雪崩击穿后，管子不能正常工作，甚至很快就会烧毁，所以场效应晶体管不允许工作在这个区域。

Ⅳ区是输出特性曲线靠近横轴的部分，称为截止区（也称夹断区），i_D≈0。

2）转移特性。电流控制器件晶体管的工作性能，是通过它的输入特性和输出特性及一些参数来反映的。场效应晶体管是电压控制器件，由于输入电阻很高，栅极输入端基本上没有电流，故讨论它的输入特性是没有意义的。所谓转移特性是在漏源电压u_DS一定时，栅源电压u_GS对漏源电流i_D的控制特性，即

由于输出特性和转移特性都是反映场效应晶体管工作状态的同一物理过程，所以转移特性可以直接从输出特性上用作图法得到。例如，在输出特性中，作u_DS=10V的一条垂直线，此垂直线与各条输出特性曲线相交，将各交点相应的i_D及u_GS值画在i_D-u_GS的直角坐标系中，就可得到转移特性曲线，如图3-57所示。

实验表明，在U_GS（off）≤u_DS≤0范围内，即在饱和区内，i_D随u_DS绝对值的增加近似按平方律上升，因而有

式中，U_GS（off）为结型场效应晶体管的夹断电压（V）；I_DSS为结型场效应晶体管的饱和漏极电流（A）。这样，只要给出I_DSS和U_GS（off）就可以把转移特性中的其他点近似计算出来。

图3-57 N沟道结型场效应晶体管转移特性曲线

2.绝缘栅型场效应晶体管

结型场效应晶体管的直流输入电阻虽然一般可达10⁶～10⁹Ω，但由于这个电阻从本质上来说是PN结的反向电阻，PN结反向偏置时总会有一些反向电流存在，因此限制了输入电阻的进一步提高。和结型场效应晶体管不同，绝缘栅型场效应晶体管简称IGFET，是利用半导体表面的电场效应进行工作的，也称表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可大大提高，最高可达10¹⁵Ω。目前应用最广泛的绝缘栅型场效应晶体管是金属氧化物半导体场效应晶体管，简称MOSFET或MOS管。

绝缘栅型场效应晶体管也有N沟道和P沟道两类，其中每一类又可分为增强型和耗尽型两种。所谓耗尽型就是当u_GS=0时，存在导电沟道，即i_D≠0，显然前面讨论的结型场效应晶体管就是属于耗尽型；所谓增强型就是u_GS=0时，没有导电沟道，即i_D=0。

P沟道和N沟道MOS管的工作原理相似，本节只讨论N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管，然后给出耗尽型MOS管的特点。

（1）结构与符号 N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管的结构如图3-58a所示。它以一块掺杂浓度较低、电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底，利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂浓度的N区。然后在P型硅表面产生一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅的表面及N型区的表面分别安置三个铝电极——栅极G、源极S和漏极D，就形成了N沟道MOS管，简称NMOS。

图3-58 N沟道绝缘栅型场效应晶体管的结构及图形符号

由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极。图3-58b、c所示分别为N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管和N沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管的图形符号，箭头方向由P型衬底B指向N型沟道。

图3-59 P沟道绝缘栅场效应晶体管的图形符号

同理，可以构造出P沟道绝缘栅场效应晶体管，图3-59a、b所示分别为P沟道增强型绝缘栅场效应晶体管和P沟道耗尽型绝缘栅场效应晶体管的图形符号，箭头方向由P型沟道指向N型衬底。

（2）特性曲线 以N沟道增强型绝缘栅场效应晶体管为例，分析绝缘栅场效应晶体管的外部特性。

1）输出特性曲线。图3-60所示为增强型NMOS管的输出特性曲线，与JFET的输出特性曲线一样，其输出特性曲线也分为四个区域。

Ⅰ区称为可变电阻区。Ⅱ区称为恒流区或放大区，场效应晶体管用作放大器时，一般就工作在这个区域。Ⅲ区称为击穿区，场效应晶体管不允许工作在这个区域。Ⅳ区称为截止区，此时，i_D≈0。

2）转移特性曲线。增强型NMOS管的转移特性曲线如图3-61所示，它同样可以从输出特性曲线求出，作图方法和JFET相同。在恒流区内，增强型NMOS管的i_D可近似表示为

式中，I_DO是u_GS=2U_GS（th）时的i_D值（A）；U_GS（th）为开启电压（V）。

图3-60 增强型NMOS管输出特性曲线

图3-61 增强型NMOS管转移特性曲线

对于其他类型的场效应晶体管，其输出特性和转移特性是相似的，只是由于导电载流子和衬底材料的不同，而要求偏置电压的极性不同，具体见表3-4。(www.xing528.com)

表3-4 各种场效应晶体管的符号和特性曲线

（续）

3.场效应晶体管的特性参数

（1）性能参数

1）开启电压U_GS（th）。它是增强型MOS管特有的参数，是指u_DS为一固定值（如10V），使i_D等于某一微小电流（如10μA）时所需要的最小u_GS值。

2）夹断电压U_GS（off）。它是耗尽型MOS管和结型管的参数，是指u_DS为一固定值（如10V），而使i_D减小到某一微小电流（如10μA）时的u_GS值。

3）饱和漏极电流I_DSS。它是耗尽型MOS管和结型管的参数，是指在u_GS=0时，使管子出现预夹断时的漏极电流。I_DSS也是结型管所能输出的最大电流。

4）直流输入电阻R_GS。它是指在漏、源极间短路的条件下，栅、源极之间所加直流电压与栅极直流电流的比值。一般JFET的R_GS＞10⁷Ω，而IGFET的R_GS＞10⁹Ω。

5）低频跨导（互导）g_m。它是指在u_DS为某一定值时，漏极电流i_D的微变量和引起它变化的u_GS微变量的比值，即

g_m反映了栅源电压u_GS对漏极电流i_D的控制能力，是表征场效应晶体管放大能力的一个重要参数（对应于晶体管的β），单位为西门子（S），常用mS或μS。场效应晶体管的g_m一般为几毫西门子。

g_m也就是转移特性曲线工作点的切线斜率，可见，它与管子的工作电流有关，i_D越大，g_m就越大。

（2）极限参数

1）最大漏极电流I_DM。它是指管子在工作时允许的最大漏极电流。

2）最大耗散功率P_DM。最大耗散功率P_DM=u_DSi_D，它受管子的最高工作温度的限制，与晶体管的P_CM相似。

3）漏源击穿电压U_（BR）DS。它是漏、源极间所能承受的最大电压，也就是使i_D开始急剧上升（管子击穿）时的u_DS值。

4）栅源击穿电压U_（BR）GS。它是栅、源极间所能承受的最大电压。对JFET，栅极与沟道间PN结的反向击穿电压即是U_（BR）GS。对IGFET，U_（BR）GS是使绝缘层击穿时的电压。击穿会造成短路现象，使管子损坏。

4.场效应晶体管与晶体管的性能比较

表3-5给出了场效应晶体管与晶体管的性能比较。

表3-5 场效应晶体管与晶体管的性能比较

场效应晶体管具有较高的输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效应晶体管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。场效应晶体管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应晶体管集成在一块硅片上，因此场效应晶体管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

MOS场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路），极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：

1）MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便用塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装。

2）取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。

3）焊接用的电烙铁必须良好接地。

4）在焊接前应把印制电路板的电源线与地线短接，把MOS器件焊接完成后再分开。

5）MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。

6）印制电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再把印制电路板接上去。

7）在允许的条件下，MOS场效应晶体管的栅极最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。

场效应晶体管好坏的判断：先用MF10型万用表R×100kΩ档，把黑表笔接栅极G，红表笔接源极S。此时万用表指针有轻微偏转。再用该万用表R×1Ω档，将黑表笔接漏极D，红表笔接源极S，万用表指示值若为几欧，则说明场效应晶体管是好的。

5.VMOS场效应晶体管

VMOS管是指垂直导电沟道-金属氧化物半导体-绝缘栅-增强型场效应晶体管，有VN-MOS和VPMOS两种，电路符号同图3-58b和图3-59b。VMOS管除了具有一般增强型MOS管的特性（如转移特性和输出特性等），还具有以下重要特性：

1）温度稳定性高，安全工作区大。

2）跨导g_m近似为常数，作放大器时，非线性失真很小。

3）工作频率和开关速率均很高，适合用于高频工作场合（开关电源）。

4）输入电阻高，驱动功率小。

5）输出功率大，适合做输出功率较大的功率放大器。

目前VMOS管的耐压值最高可达1kV以上，最大连续电流高达200A，是一种很好的功率放大器件。

使用VMOS管时需要注意以下几点：

1）储存待用时，应将栅源两极短接，防止静电破坏。

2）安装过程中应保持栅源两极短接状态。

3）使用中有时需要在栅源两极间接入钳位二极管。