结型场效应管内部结构及工作原理
结型场效应管内部结构及工作原理



3.1.1 结型场效应管基本结构和类型

结型场效应管可分为N沟道和P沟道两种类型。它们的结构示意图及相应的电路符号见图3.1。图3.1(a)是N沟道结型场效管的内部结构及电路符号。它在一块N型半导体材料两侧，通过高浓度扩散制造两个重掺杂的P+型区，形成两个P+N结。把两个P+区接在一起形成一个电极，称为栅极（G）。中间的N型区是载流子的流通路径，称之为导电沟道，在它的两端分别引出两个电极，分别称为源极（S）和漏极（D）。所以这一器件从外部看也有三条电极引线，从内部看也是背靠背的两个PN结。由于它的导电沟道为N型半导体，故取名N沟道结型FET。图3.1(b)是P沟道JFET的结构及电路符号，它与N沟道JFET相类似，只是导电沟道变为P 型半导体。图中栅极G的箭头方向表示了GS之间PN结的正偏方向。



3.1.2 结型场效应管的基本工作原理

场效应管是利用电压产生的电场效应来控制输出电流的大小的，其实质就是通过改变加在栅源之间的反偏电压UGS来改变PN结耗尽层的宽度，从而改变了导电沟道的宽度，也就是改变了导电沟道的电阻，最终实现对输出电流ID的控制。

N沟道JFET在正常工作时，栅源之间所加电压 UGS＜0，即栅源之间的PN结处在反偏状态。若忽略反向电流，则栅极电流为零。这时漏源之间电流ID的大小由沟道呈现的电阻大小决定。而沟道电阻的大小则由沟道的半导体材料的电阻及尺寸决定，由于栅源之间的P+N加的是反偏电压，故P+N结的空间电荷区宽度将随反偏电压增大而增大，而且空间电荷 区主要向沟道一侧延伸，这样，改变UGS的大小时就达到了控制沟道宽度的目的，从而实现了对沟道电阻的控制作用。当漏源之间加有UDS＞0的电压时，漏源电流ID就将随UGS的变化而变化，进而达到UGS对ID的控制目的。

在图3.2所示的情况下，我们可以看到当UDS＝0时，UGS变化对其导电沟道的影响。它表示了UGS对沟道宽度的控制作用。由图可见，当UGS＝0时，导电沟道最宽，若此时加的漏源电压UDS，则相应的ID最大。|UGS|越大，其导电沟道就越窄，相应的沟道电阻就越大，因而当漏源之间加有电压UDS时，其漏极电流就越小。当|UGS|增加到一个数值为||的电压时，由于P+N结的耗尽区向沟道一侧扩展的结果，使沟道完全消失（即两个P+N结的耗尽区完全合拢），如图3.2(c)所示。这种状态通称为沟道的夹断状态，相应的称为夹断电压。此时JFET的漏源之间即使加有电压UDS，也不会有沟道电流产生，即ID＝0。



由此我们可以知道，由于栅源之间加的反偏电压，故从栅 极看进去所呈现的阻抗很高；此外，依靠UGS产生的电场效 应通过对P+N结耗尽区宽度的控制可以有效地实现对漏极电 流的控制作用，且当UGS＜UP时，由于沟道夹断，漏源之 间处在断路状态。

2.ＵDS对ID的影响

当UGS＝0时，改变UDS对导电沟道产生的影响，如图3.3所示。当N沟道JFET正常工作时，UDS＞0，即漏源之间为正极性电压。在UGS＝UDS＝0时，靠近漏端与源端的沟道宽度一样，即具有均匀的沟道宽度，如图3.2(a)所示。当UGS＝0，UDS＞0时，则靠近漏端的P+N结反偏电压要大于靠近源端P+N结的反偏电压，因此耗尽区向沟道一侧延伸的宽度就不同了，导致靠近漏端的沟道宽度窄而靠近源端的沟道宽度宽。这种延沟道长度方向上沟道宽度的不均匀性是由UDS引起的。其具体解释如下：因为UDS＞0，漏源之间产生了一个较大电流，因为ID的方向是从上到下，所以沿沟道的方向从上至下有一上电压降落。设源极（最下面）电位为参考点，则沟道上各点的电位不同，最下面D点的电位最高，最下面源极处电位最低。PN结的反向偏压数值在最上面靠近漏极D点最大，所以耗尽区最宽，而最下面源极S处为最小，所以耗尽区最窄，因而形成的耗尽区的形状是上宽下窄。随着UDS增加这种沟道宽度不均匀性将越发明显。

一旦当UDS＝－时，则靠近漏端就出现了沟道合拢的情况，如图3.3(b)所示。这种状态通常称为预夹断状态。预夹断与前面的夹断是不一样的，器件在预夹断时，漏源之间有较大的电流流过。而夹断状态时，则ID＝0。当器件到达预夹断状态后，若继续加大UDS，则将会出现耗尽区的合拢点（预夹断点）沿沟道向源极方向移动的现象，如3.3(c)所示。这将导致导电沟道变短，从而使沟道电阻略有减小，但变化不大，这是由于夹断区是高阻区，外加电压UDS的增量主要降落在预夹断区，因而对沟道长度的影响甚小。这种随UDS变化沟道长度随之略有变化的现象称为沟道长度调制效应。可见，在沟道预夹断之后，UDS变化对沟道电流ID的影响是很小的。场效应管的这种工作状态称为恒流区（饱和区或放大区）。作为放大元器件，场效应管就是工作在这一状态。不过应当注意，当UDS过大时，由于P+N结的反偏过大，将产生反向击穿现象，工作时必须避免这种情况发生。