【圖】結型場效應管內部結構及工作原理
(2023/11/25 7:00:00)
結型場效應管內部結構及工作原理
結型場效應管內部結構及工作原理
3.1.1 結型場效應管基本結構和類型
結型場效應管可分為N溝道和P溝道兩種類型。它們的結構示意圖及相應的電路符號見圖3.1。圖3.1(a)是N溝道結型場效管的內部結構及電路符號。它在一塊N型半導體材料兩側，通過高濃度擴散制造兩個重摻雜的P+型區，形成兩個P+N結。把兩個P+區接在一起形成一個電極，稱為柵極（G）。中間的N型區是載流子的流通路徑，稱之為導電溝道，在它的兩端分別引出兩個電極，分別稱為源極（S）和漏極（D）。所以這一器件從外部看也有三條電極引線，從內部看也是背靠背的兩個PN結。由于它的導電溝道為N型半導體，故取名N溝道結型FET。圖3.1(b)是P溝道JFET的結構及電路符號，它與N溝道JFET相類似，只是導電溝道變為P 型半導體。圖中柵極G的箭頭方向表示了GS之間PN結的正偏方向。
3.1.2 結型場效應管的基本工作原理
場效應管是利用電壓產生的電場效應來控制輸出電流的大小的，其實質就是通過改變加在柵源之間的反偏電壓UGS來改變PN結耗盡層的寬度，從而改變了導電溝道的寬度，也就是改變了導電溝道的電阻，最終實現對輸出電流ID的控制。
N溝道JFET在正常工作時，柵源之間所加電壓 UGS＜0，即柵源之間的PN結處在反偏狀態。若忽略反向電流，則柵極電流為零。這時漏源之間電流ID的大小由溝道呈現的電阻大小決定。而溝道電阻的大小則由溝道的半導體材料的電阻及尺寸決定，由于柵源之間的P+N加的是反偏電壓，故P+N結的空間電荷區寬度將隨反偏電壓增大而增大，而且空間電荷 區主要向溝道一側延伸，這樣，改變UGS的大小時就達到了控制溝道寬度的目的，從而實現了對溝道電阻的控制作用。當漏源之間加有UDS＞0的電壓時，漏源電流ID就將隨UGS的變化而變化，進而達到UGS對ID的控制目的。
在圖3.2所示的情況下，我們可以看到當UDS＝0時，UGS變化對其導電溝道的影響。它表示了UGS對溝道寬度的控制作用。由圖可見，當UGS＝0時，導電溝道最寬，若此時加的漏源電壓UDS，則相應的ID最大。|UGS|越大，其導電溝道就越窄，相應的溝道電阻就越大，因而當漏源之間加有電壓UDS時，其漏極電流就越小。當|UGS|增加到一個數值為||的電壓時，由于P+N結的耗盡區向溝道一側擴展的結果，使溝道完全消失（即兩個P+N結的耗盡區完全合攏），如圖3.2(c)所示。這種狀態通稱為溝道的夾斷狀態，相應的稱為夾斷電壓。此時JFET的漏源之間即使加有電壓UDS，也不會有溝道電流產生，即ID＝0。
由此我們可以知道，由于柵源之間加的反偏電壓，故從柵 極看進去所呈現的阻抗很高；此外，依靠UGS產生的電場效 應通過對P+N結耗盡區寬度的控制可以有效地實現對漏極電 流的控制作用，且當UGS＜UP時，由于溝道夾斷，漏源之 間處在斷路狀態。
2.ＵDS對ID的影響
當UGS＝0時，改變UDS對導電溝道產生的影響，如圖3.3所示。當N溝道JFET正常工作時，UDS＞0，即漏源之間為正極性電壓。在UGS＝UDS＝0時，靠近漏端與源端的溝道寬度一樣，即具有均勻的溝道寬度，如圖3.2(a)所示。當UGS＝0，UDS＞0時，則靠近漏端的P+N結反偏電壓要大于靠近源端P+N結的反偏電壓，因此耗盡區向溝道一側延伸的寬度就不同了，導致靠近漏端的溝道寬度窄而靠近源端的溝道寬度寬。這種延溝道長度方向上溝道寬度的不均勻性是由UDS引起的。其具體解釋如下：因為UDS＞0，漏源之間產生了一個較大電流，因為ID的方向是從上到下，所以沿溝道的方向從上至下有一上電壓降落。設源極（最下面）電位為參考點，則溝道上各點的電位不同，最下面D點的電位最高，最下面源極處電位最低。PN結的反向偏壓數值在最上面靠近漏極D點最大，所以耗盡區最寬，而最下面源極S處為最小，所以耗盡區最窄，因而形成的耗盡區的形狀是上寬下窄。隨著UDS增加這種溝道寬度不均勻性將越發明顯。
一旦當UDS＝－時，則靠近漏端就出現了溝道合攏的情況，如圖3.3(b)所示。這種狀態通常稱為預夾斷狀態。預夾斷與前面的夾斷是不一樣的，器件在預夾斷時，漏源之間有較大的電流流過。而夾斷狀態時，則ID＝0。當器件到達預夾斷狀態后，若繼續加大UDS，則將會出現耗盡區的合攏點（預夾斷點）沿溝道向源極方向移動的現象，如3.3(c)所示。這將導致導電溝道變短，從而使溝道電阻略有減小，但變化不大，這是由于夾斷區是高阻區，外加電壓UDS的增量主要降落在預夾斷區，因而對溝道長度的影響甚小。這種隨UDS變化溝道長度隨之略有變化的現象稱為溝道長度調制效應。可見，在溝道預夾斷之后，UDS變化對溝道電流ID的影響是很小的。場效應管的這種工作狀態稱為恒流區（飽和區或放大區）。作為放大元器件，場效應管就是工作在這一狀態。不過應當注意，當UDS過大時，由于P+N結的反偏過大，將產生反向擊穿現象，工作時必須避免這種情況發生。
結型場效應管內部結構及工作原理
3.1.1 結型場效應管基本結構和類型
結型場效應管可分為N溝道和P溝道兩種類型。它們的結構示意圖及相應的電路符號見圖3.1。圖3.1(a)是N溝道結型場效管的內部結構及電路符號。它在一塊N型半導體材料兩側，通過高濃度擴散制造兩個重摻雜的P+型區，形成兩個P+N結。把兩個P+區接在一起形成一個電極，稱為柵極（G）。中間的N型區是載流子的流通路徑，稱之為導電溝道，在它的兩端分別引出兩個電極，分別稱為源極（S）和漏極（D）。所以這一器件從外部看也有三條電極引線，從內部看也是背靠背的兩個PN結。由于它的導電溝道為N型半導體，故取名N溝道結型FET。圖3.1(b)是P溝道JFET的結構及電路符號，它與N溝道JFET相類似，只是導電溝道變為P 型半導體。圖中柵極G的箭頭方向表示了GS之間PN結的正偏方向。
3.1.2 結型場效應管的基本工作原理
場效應管是利用電壓產生的電場效應來控制輸出電流的大小的，其實質就是通過改變加在柵源之間的反偏電壓UGS來改變PN結耗盡層的寬度，從而改變了導電溝道的寬度，也就是改變了導電溝道的電阻，最終實現對輸出電流ID的控制。
N溝道JFET在正常工作時，柵源之間所加電壓 UGS＜0，即柵源之間的PN結處在反偏狀態。若忽略反向電流，則柵極電流為零。這時漏源之間電流ID的大小由溝道呈現的電阻大小決定。而溝道電阻的大小則由溝道的半導體材料的電阻及尺寸決定，由于柵源之間的P+N加的是反偏電壓，故P+N結的空間電荷區寬度將隨反偏電壓增大而增大，而且空間電荷 區主要向溝道一側延伸，這樣，改變UGS的大小時就達到了控制溝道寬度的目的，從而實現了對溝道電阻的控制作用。當漏源之間加有UDS＞0的電壓時，漏源電流ID就將隨UGS的變化而變化，進而達到UGS對ID的控制目的。
在圖3.2所示的情況下，我們可以看到當UDS＝0時，UGS變化對其導電溝道的影響。它表示了UGS對溝道寬度的控制作用。由圖可見，當UGS＝0時，導電溝道最寬，若此時加的漏源電壓UDS，則相應的ID最大。|UGS|越大，其導電溝道就越窄，相應的溝道電阻就越大，因而當漏源之間加有電壓UDS時，其漏極電流就越小。當|UGS|增加到一個數值為||的電壓時，由于P+N結的耗盡區向溝道一側擴展的結果，使溝道完全消失（即兩個P+N結的耗盡區完全合攏），如圖3.2(c)所示。這種狀態通稱為溝道的夾斷狀態，相應的稱為夾斷電壓。此時JFET的漏源之間即使加有電壓UDS，也不會有溝道電流產生，即ID＝0。
由此我們可以知道，由于柵源之間加的反偏電壓，故從柵 極看進去所呈現的阻抗很高；此外，依靠UGS產生的電場效 應通過對P+N結耗盡區寬度的控制可以有效地實現對漏極電 流的控制作用，且當UGS＜UP時，由于溝道夾斷，漏源之 間處在斷路狀態。
2.ＵDS對ID的影響
當UGS＝0時，改變UDS對導電溝道產生的影響，如圖3.3所示。當N溝道JFET正常工作時，UDS＞0，即漏源之間為正極性電壓。在UGS＝UDS＝0時，靠近漏端與源端的溝道寬度一樣，即具有均勻的溝道寬度，如圖3.2(a)所示。當UGS＝0，UDS＞0時，則靠近漏端的P+N結反偏電壓要大于靠近源端P+N結的反偏電壓，因此耗盡區向溝道一側延伸的寬度就不同了，導致靠近漏端的溝道寬度窄而靠近源端的溝道寬度寬。這種延溝道長度方向上溝道寬度的不均勻性是由UDS引起的。其具體解釋如下：因為UDS＞0，漏源之間產生了一個較大電流，因為ID的方向是從上到下，所以沿溝道的方向從上至下有一上電壓降落。設源極（最下面）電位為參考點，則溝道上各點的電位不同，最下面D點的電位最高，最下面源極處電位最低。PN結的反向偏壓數值在最上面靠近漏極D點最大，所以耗盡區最寬，而最下面源極S處為最小，所以耗盡區最窄，因而形成的耗盡區的形狀是上寬下窄。隨著UDS增加這種溝道寬度不均勻性將越發明顯。
一旦當UDS＝－時，則靠近漏端就出現了溝道合攏的情況，如圖3.3(b)所示。這種狀態通常稱為預夾斷狀態。預夾斷與前面的夾斷是不一樣的，器件在預夾斷時，漏源之間有較大的電流流過。而夾斷狀態時，則ID＝0。當器件到達預夾斷狀態后，若繼續加大UDS，則將會出現耗盡區的合攏點（預夾斷點）沿溝道向源極方向移動的現象，如3.3(c)所示。這將導致導電溝道變短，從而使溝道電阻略有減小，但變化不大，這是由于夾斷區是高阻區，外加電壓UDS的增量主要降落在預夾斷區，因而對溝道長度的影響甚小。這種隨UDS變化溝道長度隨之略有變化的現象稱為溝道長度調制效應。可見，在溝道預夾斷之后，UDS變化對溝道電流ID的影響是很小的。場效應管的這種工作狀態稱為恒流區（飽和區或放大區）。作為放大元器件，場效應管就是工作在這一狀態。不過應當注意，當UDS過大時，由于P+N結的反偏過大，將產生反向擊穿現象，工作時必須避免這種情況發生。
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