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場(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管的比較
場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件,而晶體管是電流控制元件.在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下,應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管;而在信號(hào)電壓較低,又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下,應(yīng)選用晶體管.
晶體三極管與場(chǎng)效應(yīng)管工作原理完全不同，但是各極可以近似對(duì)應(yīng)以便于理解和設(shè)計(jì)：
晶體管： 基極 發(fā)射極 集電極
場(chǎng)效應(yīng)管 ： 柵極 源極 漏極
要注意的是，晶體管(NPN型)設(shè)計(jì)發(fā)射極電位比基極電位低(約0.6V)，場(chǎng)效應(yīng)管源極電位比柵極電位高（約0.4V)。
場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電,所以稱(chēng)之為單極型器件,而晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電,被稱(chēng)之為雙極型器件.
有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負(fù),靈活性比晶體管好.
場(chǎng)效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上,因此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用.
一、場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理及特性 場(chǎng)效應(yīng)管有結(jié)型和絕緣柵兩種結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)又有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電溝道。
1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）
?。?）結(jié)構(gòu)原理 它的結(jié)構(gòu)及符號(hào)見(jiàn)圖1。在N型硅棒兩端引出漏極D和源極S兩個(gè)電極，又在硅棒的兩側(cè)各做一個(gè)P區(qū)，形成兩個(gè)PN結(jié)。在P區(qū)引出電極并連接起來(lái)，稱(chēng)為柵極Go這樣就構(gòu)成了N型溝道的場(chǎng)效應(yīng)管
圖1、N溝道結(jié)構(gòu)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)
由于PN結(jié)中的載流子已經(jīng)耗盡，故PN基本上是不導(dǎo)電的，形成了所謂耗盡區(qū)，從圖1中可見(jiàn)，當(dāng)漏極電源電壓ED一定時(shí)，如果柵極電壓越負(fù)，PN結(jié)交界面所形成的耗盡區(qū)就越厚，則漏、源極之間導(dǎo)電的溝道越窄，漏極電流ID就愈小；反之，如果柵極電壓沒(méi)有那么負(fù)，則溝道變寬，ID變大，所以用柵極電壓EG可以控制漏極電流ID的變化，就是說(shuō)，場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件。
?。?）特性曲線
1）轉(zhuǎn)移特性
圖2（a）給出了N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓---漏流特性曲線，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線，它和電子管的動(dòng)態(tài)特性曲線非常相似，當(dāng)柵極電壓VGS=0時(shí)的漏源電流。用IDSS表示。VGS變負(fù)時(shí)，ID逐漸減小。ID接近于零的柵極電壓稱(chēng)為夾斷電壓，用VP表示，在0≥VGS≥VP的區(qū)段內(nèi)，ID與VGS的關(guān)系可近似表示為：
ID=IDSS（1-|VGS/VP|）
其跨導(dǎo)gm為：gm=（△ID/△VGS）|VDS=常微（微歐）|
式中：△ID------漏極電流增量（微安）
------△VGS-----柵源電壓增量（伏）
圖2、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線
2）漏極特性（輸出特性）
圖2(b)給出了場(chǎng)效應(yīng)管的漏極特性曲線，它和晶體三極管的輸出特性曲線 很相似。
?、倏勺冸娮鑵^(qū)（圖中I區(qū)）在I區(qū)里VDS比較小，溝通電阻隨柵壓VGS而改變，故稱(chēng)為可變電阻區(qū)。當(dāng)柵壓一定時(shí)，溝通電阻為定值，ID隨VDS近似線性增大，當(dāng)VGS＜VP時(shí)，漏源極間電阻很大（關(guān)斷）。IP=0；當(dāng)VGS=0時(shí)，漏源極間電阻很?。▽?dǎo)通），ID=IDSS。這一特性使場(chǎng)效應(yīng)管具有開(kāi)關(guān)作用。
②恒流區(qū)（區(qū)中II區(qū)）當(dāng)漏極電壓VDS繼續(xù)增大到VDS＞|VP|時(shí)，漏極電流，IP達(dá)到了飽和值后基本保持不變，這一區(qū)稱(chēng)為恒流區(qū)或飽和區(qū)，在這里，對(duì)于不同的VGS漏極特性曲線近似平行線，即ID與VGS成線性關(guān)系，故又稱(chēng)線性放大區(qū)。
?、蹞舸﹨^(qū)（圖中Ⅲ區(qū)）如果VDS繼續(xù)增加，以至超過(guò)了PN結(jié)所能承受的電壓而被擊穿，漏極電流ID突然增大，若不加限制措施，管子就會(huì)燒壞。
2、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管
它是由金屬、氧化物和半導(dǎo)體所組成，所以又稱(chēng)為金屬---氧化物---半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。
?。?）結(jié)構(gòu)原理
它的結(jié)構(gòu)、電極及符號(hào)見(jiàn)圖3所示，以一塊P型薄硅片作為襯底，在它上面擴(kuò)散兩個(gè)高雜質(zhì)的N型區(qū)，作為源極S和漏極D。在硅片表覆蓋一層絕緣物，然后再用金屬鋁引出一個(gè)電極G（柵極）由于柵極與其它電極絕緣，所以稱(chēng)為絕緣柵場(chǎng)面效應(yīng)管。
圖3、N溝道（耗盡型）絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及符號(hào)
在制造管子時(shí)，通過(guò)工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時(shí)，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。
場(chǎng)效應(yīng)管的式作方式有兩種：當(dāng)柵壓為零時(shí)有較大漏極電流的稱(chēng)為耗散型，當(dāng)柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流的稱(chēng)為增強(qiáng)型。
?。?）特性曲線
1）轉(zhuǎn)移特性（柵壓----漏流特性）
圖4（a）給出了N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移行性曲線，圖中Vp為夾斷電壓（柵源截止電壓）；IDSS為飽和漏電流。
圖4（b）給出了N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管的轉(zhuǎn)移特性曲線，圖中Vr為開(kāi)啟電壓，當(dāng)柵極電壓超過(guò)VT時(shí)，漏極電流才開(kāi)始顯著增加。
2）漏極特性（輸出特性）
圖5（a）給出了N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線。
圖5(b)為N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線 。
圖4、N溝道MOS場(chǎng)效管的轉(zhuǎn)移特性曲線
圖5、N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線
此外還有N襯底P溝道（見(jiàn)圖1）的場(chǎng)效應(yīng)管，亦分為耗盡型號(hào)增強(qiáng)型兩種，
各種場(chǎng)效應(yīng)器件的分類(lèi)，電壓符號(hào)和主要伏安特性（轉(zhuǎn)移特性、輸出特性） 二、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)
1、夾斷電壓VP
當(dāng)VDS為某一固定數(shù)值，使IDS等于某一微小電流時(shí)，柵極上所加的偏壓VGS就是夾斷電壓VP。
2、飽和漏電流IDSS
在源、柵極短路條件下，漏源間所加的電壓大于VP時(shí)的漏極電流稱(chēng)為IDSS。
3、擊穿電壓BVDS
表示漏、源極間所能承受的最大電壓，即漏極飽和電流開(kāi)始上升進(jìn)入擊穿區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)的VDS。
4、直流輸入電阻RGS
在一定的柵源電壓下，柵、源之間的直流電阻，這一特性有以流過(guò)柵極的電流來(lái)表示，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的RGS可達(dá)1000000000歐而絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的RGS可超過(guò)10000000000000歐。
5、低頻跨導(dǎo)gm
漏極電流的微變量與引起這個(gè)變化的柵源電壓微數(shù)變量之比，稱(chēng)為跨導(dǎo)，即
gm= △ID/△VGS
它是衡量場(chǎng)效應(yīng)管柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力的一個(gè)參數(shù)，也是衡量放大作用的重要參數(shù)，此參靈敏常以柵源電壓變化1伏時(shí)，漏極相應(yīng)變化多少微安（μA/V）或毫安（mA/V）來(lái)表示
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金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)三極管的基本工作原理是靠半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng)，在半導(dǎo)體中感生出導(dǎo)電溝道來(lái)進(jìn)行工作的。當(dāng)柵 g 電壓vg 增大時(shí)， p 型半導(dǎo)體表面的多數(shù)載流子棗空穴減少、耗盡，而電子積累到反型。當(dāng)表面達(dá)到反型時(shí)，電子積累層將在 n+ 源區(qū) s 和 n+ 漏區(qū) d 形成導(dǎo)電溝道。當(dāng) vds ≠ 0 時(shí)，源漏電極有較大的電流ids流過(guò)。使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓稱(chēng)為閾值電壓vt。當(dāng) vgs>vt并取不同數(shù)值時(shí)，反型層的導(dǎo)電能力將改變，在的vds下也將產(chǎn)生不同的ids, 實(shí)現(xiàn)柵源電壓vgs對(duì)源漏電流ids的控制。
場(chǎng)效應(yīng)管（fet）是電場(chǎng)效應(yīng)控制電流大小的單極型半導(dǎo)體器件。在其輸入端基本不取電流或電流極小，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被應(yīng)用。
fet和雙極型三極管相類(lèi)似，電極對(duì)應(yīng)關(guān)系是b®g、e®s、c®d；由fet組成的放大電路也和三極管放大電路相類(lèi)似，三極管放大電路基極回路一個(gè)偏置電流(偏流)，而fet放大電路的場(chǎng)效應(yīng)管柵極沒(méi)有電流，fet放大電路的柵極回路一個(gè)合適的偏置電壓(偏壓)。
fet組成的放大電路和三極管放大電路的主要區(qū)別：場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型器件，靠柵源的電壓變化來(lái)控制漏極電流的變化，放大作用以跨導(dǎo)來(lái)；三極管是電流控制型器件，靠基極電流的變化來(lái)控制集電極電流的變化，放大作用由電流放大倍數(shù)來(lái)。
場(chǎng)效應(yīng)管放大電路分為共源、共漏、共柵極三種組態(tài)。在分析三種組態(tài)時(shí)，可與雙極型三極管的共射、共集、共基對(duì)照，體會(huì)二者間的相似與區(qū)別之處。
