场效应管——分类、结构以及原理

2017-08-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场效应管,是较新型的半导体材料,利用电场效应来控制晶体管的电流,因而得名。它只有一种载流子参与导电的半导体器件,是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分,它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应管的结构来划分,它有结型场效应管和绝缘栅型场效应管之分。

1.结型场效应管

(1) 结型场效应管结构

N沟道结型场效应管的结构如下图所示,它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结,形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。两个P区即为栅极,N型硅的一端是漏极,另一端是源极。

场效应管——分类、结构以及原理HFSS分析图片1
结型场效应管的结构示意图

(2) 结型场效应管工作原理

以N沟道为例说明其工作原理。

当VGS=0时,在漏、源之间加有一定电压时,在漏源间将形成多子的漂移运动,产生漏极电流。当VGS<0时,PN结反偏,形成耗尽层,漏源间的沟道将变窄,ID将减小,VGS继续减小,沟道继续变窄,ID继续减小直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。

(3)结型场效应管特性曲线

结型场效应管的特性曲线有两条,

一是输出特性曲线(ID=f(VDS)| VGS=常量),

二是转移特性曲线(ID=f(VGS)|VDS=常量)。

N沟道结型场效应管的特性曲线如下图所示。

场效应管——分类、结构以及原理HFSS分析图片2

(a) 漏极输出特性曲线 (b) 转移特性曲线

N沟道结型场效应管的特性曲线

2. 绝缘栅场效应三极管的工作原理

绝缘栅场效应三极管分为:

耗尽型→N沟道、P沟道

增强型→N沟道、P沟道

(1)N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构

N沟道耗尽型的结构和符号如下图(a)所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当VGS>0时,将使ID进一步增加。VGS<0时,随着VGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压,用符号VGS(off)表示,有时也用VP表示。

N沟道耗尽型的转移特性曲线如下图(b)所示。

场效应管——分类、结构以及原理HFSS分析图片3

(a) 结构示意图 (b) 转移特性曲线

(2)N沟道增强型绝缘栅场效应管结构

N沟道增强型绝缘栅场效应管,结构与耗尽型类似。但当VGS=0 V时,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VGS>VGS(th)时,形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在VGS=0V时ID=0,只有当VGS>VGS(th)后才会出现漏极电流,这种MOS管称为增强型MOS管。