各种场效应管的原理和特性曲线讲解

电力场效应管电力场效应管 又名电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的 MOS 型（Metal Oxide 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（ 特点 ——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。

开关速度快，工作频率高。

热稳定性优于 GTR 。

电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 电力MOSFE 的种类按导电沟道可分为 P 沟道和N 沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

增强型一一对于N （ P ）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

电力MOSFE 主要是N 沟道增强型。

电力MOSFE 的结构小功率MOS 管是横向导电器件。

电力MOSFE 大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFETVertical MOSFET ）。

按垂直导电结构的差异，分为利用 V 型槽实现垂直导电的 VVMOSFE 和具有垂直导电双扩散 MOS 结构的VDMOSFE （TVertical Double-diffused MOSFET）。

这里主要以VDMO 器件为例进行讨论。

电力MOSFET 勺工作原理（N 沟道增强型 VDMOS 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零P 基区与N 漂移区之间形成的PN 结J1反偏，漏源极之间无电流流过 导电：在栅源极间加正电压 UGSSemiconductor FET ,简称电力 MOSFETPower MOSFEJT Static Induction Transistor —— SIT ）。

10kW 的电力电子装置当UGS大于UT时，P型半导体反型成 N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

电力MOSFET勺基本特性(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET^转移特性。

ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。

(2)MOSFET的漏极伏安特性(即输出特性)：截止区(对应于GTR的截止区)饱和区(对应于GTR的放大区)非饱和区(对应 GTR的饱和区)工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。

MOS 场效应管的工作原理及特点场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。

有N沟道器件和P 沟道器件。

有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。

IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。

MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。

场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。

增强型MOS(EMOS)场效应管道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。

在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。

P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。

一、工作原理1．沟道形成原理当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。

当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。

耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。

进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。

结型场效应管的工作原理N 沟道和P 沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N 沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。

N 沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压(v GS ＜0)，使栅-源极间的P +N 结反偏，栅极电流i G ≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108Ω左右)。

在漏-源极间加一正电压(v DS ＞0)，使N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流i D 。

i D 的大小主要受栅-源电压v GS 控制，同时也受漏-源电压v DS 的影响。

因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压v GS 对沟道电阻及漏极电流i D 的控制作用，以及漏-源电压v DS 对漏极电流i D 的影响。

转移特性：在u DS 一定时, 漏极电流i D 与栅源电压u GS 之间的关系称为转移特性。

()|D gs ds u i f u ==常数在U GS(off)≤u GS ≤0的范围内, 漏极电流i D 与栅极电压u GS 的关系为2()(1)GSD DDS GS off u i I u =-2) 输出特性：输出特性是指栅源电压u GS 一定, 漏极电流i D 与漏极电压u DS 之间的关系。

()|D s gs d u i f u ==常数GS 0123451．v GS对沟道电阻及i D的控制作用图2所示电路说明了v GS对沟道电阻的控制作用。

为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压v DS=0。

当栅-源电压v GS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2(a)所示。

当v GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。

由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图2(b)所示。

当|v GS| 进一步增大到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。

晶体三极管一、三极管的电流放大原理晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。

而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。

图1、晶体三极管（NPN）的结构图一是NPN管的结构图，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，从图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b 和集电极。

当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。

在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正确，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（控穴）很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。

由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给，从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib式中：β--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：β= △Ic/△Ib式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。

三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。

场效应管及其参数符号意义场效应管（英缩写FET）是电压控制器件，它由输入电压来控制输出电流的变化。

它具有输入阻抗高噪声低，动态范围大，温度系数低等优点，因而广泛应用于各种电子线路中。

供应信息需求信息一、场效应管的结构原理及特性场效应管有结型和绝缘栅两种结构，每种结构又有N沟道和P沟道两种导电沟道。

1、结型场效应管（JFET）（1）结构原理它的结构及符号见图1。

在N型硅棒两端引出漏极D和源极S两个电极，又在硅棒的两侧各做一个P区，形成两个PN结。

在P区引出电极并连接起来，称为栅极Go这样就构成了N型沟道的场效应管图1、N沟道结构型场效应管的结构及符号由于PN结中的载流子已经耗尽，故PN基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，从图1中可见，当漏极电源电压ED一定时，如果栅极电压越负，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，ID变大，所以用栅极电压EG可以控制漏极电流ID的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。

（2）特性曲线1）转移特性图2（a）给出了N沟道结型场效应管的栅压---漏流特性曲线，称为转移特性曲线，它和电子管的动态特性曲线非常相似，当栅极电压VGS=0时的漏源电流。

用IDSS表示。

VGS变负时，ID逐渐减小。

ID接近于零的栅极电压称为夹断电压，用VP表示，在0≥VGS≥VP的区段内，ID与VGS的关系可近似表示为：ID=IDSS（1-|VGS/VP|）△△）|VDS=常微（微欧）|其跨导gm为：gm=（ID/VGS式中：ID△-----漏极电流增量（微安）△-----栅源电压增量（伏）VGS图2、结型场效应管特性曲线2）漏极特性（输出特性）图2(b)给出了场效应管的漏极特性曲线，它和晶体三极管的输出特性曲线很相似。

①可变电阻区（图中I区）在I区里VDS比较小，沟通电阻随栅压VGS而改变，故称为可变电阻区。

当栅压一定时，沟通电阻为定值，ID随VDS近似线性增大，当VGS＜VP时，漏源极间电阻很大（关断）。

电力场效应管电力场效应管又名电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。

特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。

开关速度快，工作频率高。

热稳定性优于GTR。

电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

电力MOSFET主要是N沟道增强型。

电力MOSFET的结构小功率MOS管是横向导电器件。

电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。

按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。

这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。

电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。

P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

电力MOSFET的基本特性(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。

ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。

(2)MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。