1.4 场效应管

场效应管（简称FET）是利用输入电压产生的电场效应来控制输出电流的，又称为电压控制型器件。它工作时只有一种载流子（多数载流子）参与导电，故也称为单极型半导体三极管。因具有很高的输入电阻，能满足高内阻信号源对放大电路的要求，所以场效应管是较理想的前置输入级器件。它还具有热稳定性好、功耗低、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，因而得到了广泛的应用。

根据结构不同，场效应管可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（IGFET，或称为MOS型场效应管）两大类。根据场效应管制造工艺和材料的不同，又可分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管。在结型场效应管中，栅源间的输入电阻一般为106～109 Ω。PN结反偏时，总有一定的反向电流存在，而且受温度的影响，这限制了结型场效应管输入电阻的进一步提高。而绝缘栅型场效应管的栅极与漏极、源极及沟道是绝缘的，输入电阻可高达109 Ω以上。由于这种场效应管是由金属（Metal）、氧化物（Oxide）和半导体（Semiconductor）组成的，故又称为MOS管。MOS管可分为N沟道和P沟道两种。按照工作方式不同可以分为增强型和耗尽型两类。下面以目前最为流行的N沟道增强型绝缘栅场效应管为例讲解其结构、工作原理和应用。

1.4.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管

1. 结构和符号

如图1.22所示，是N沟道增强型MOS管的示意图。MOS管以一块掺杂浓度较低的P型硅片做衬底，在衬底上通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区，并引出两个极作为源极S和漏极D。在P型硅表面制作一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，在二氧化硅表面再喷上一层金属铝，引出栅极G。这种场效应管的栅极、源极、漏极之间都是绝缘的，所以称为绝缘栅场效应管。

绝缘栅场效应管的图形符号如图1.22（b）、（c）所示，箭头方向表示沟道类型，箭头指向管内表示为N沟道MOS管（见图1.22（b）），否则为P沟道MOS管（见图1.22（c））。

2. 工作原理

如图1.23所示，是N沟道增强型MOS管的工作原理示意图。图1.23（b）所示是相应的电路图。工作时栅源之间加正向电源电压UGS，漏源之间加正向电源电压UDS，并且源极与衬底连接，衬底是电路中电位最低的点。

当UGS=0时，漏极与源极之间没有原始的导电沟道，漏极电流 ID =0。这是因为当UGS=0时，漏极和衬底及源极之间形成了两个反向串联的PN结，当UDS加正向电压时，漏极与衬底之间PN结反向偏置的缘故。

当UGS>0时，栅极与衬底之间产生了一个垂直于半导体表面、由栅极指向衬底的电场。这个电场的作用是排斥P型衬底中的空穴而吸引电子到表面层，当UGS增大到一定程度时，绝缘体和P型衬底的交界面附近积累了较多的电子，形成了N型薄层，称为N型反型层。反型层使漏极与源极之间成为一条由电子构成的导电沟道，当加上漏源电压UGS之后，就会有电流ID流过沟道。通常将刚刚出现漏极电流ID时所对应的栅源电压称为开启电压，用UGS（th）表示。

当UGS>UGS（th）时，UGS增大，电场增强，沟道变宽，沟道电阻减小，ID增大；反之，UGS减小，沟道变窄，沟道电阻增大，ID减小。改变UGS的大小，就可以控制沟道电阻的大小，从而控制电流ID的大小。随着UGS的增强，MOS管的导电性能也跟着增强，故称为增强型MOS管。

必须强调，增强型MOS管当UGS<UGS（th）时，反型层（导电沟道）消失，ID =0。只有当UGS≥UGS（th）时，才能形成导电沟道，并有电流ID。

3. 特性曲线

N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线有转移特性曲线和输出特性曲线两种。

1）转移特性曲线

由图1.24所示的转移特性曲线可见，当UGS<UGS（th）时，没有形成导电沟道，ID=0。当UGS≥UGS（th）时，开始形成导电沟道，并随着UGS的增大，导电沟道变宽，沟道电阻变小，电流ID增大。

2）输出特性曲线

如图1.25所示为输出特性曲线，分为可变电阻区、恒流区（放大区）、夹断区和击穿区，其含义与结型场效应管输出特性曲线的几个区相同。

1.4.2 场效应管的主要参数及注意事项

1. 主要参数

场效应管的主要参数如下。

（1）开启电压UGS（th）和夹断电压UGS（off）。UDS等于某一定值，使漏极电流ID等于某一微小电流时，栅源之间所加的电压UGS：①对于增强型管，称其为开启电压UGS（th）；②对于耗尽型管和结型管，称其为夹断电压UGS（off）。

（2）饱和漏极电流 IDSS。饱和漏极电流是指耗尽型场效应管工作于饱和区时，其在UGS=0时的漏极电流。

（3）低频跨导gm（又称为低频互导）。低频跨导是指UDS为某一定值时，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压的微变量之比，即

式中，ΔID为漏极电流的微变量；ΔUGS为栅源电压微变量；gm 反映了UGS对ID的控制能力，是表征场效应管放大能力的重要参数，其单位为西门子（S）。gm一般为几mS。gm 也是转移特性曲线上工作点处切线的斜率。

（4）直流输入电阻RGS。直流输入电阻是指漏源间短路时，栅源间的直流电阻值，一般大于108 Ω。

（5）漏源击穿电压U（BR）DS。漏源击穿电压是指漏源间能承受的最大电压，当UDS值超过U（BR）DS时，漏源间发生击穿，ID开始急剧增大。

（6）栅源击穿电压U（BR）GS。栅源击穿电压是指栅源间所能承受的最大反向电压，当UGS值超过此值时，栅源间发生击穿，ID由零开始急剧增大。

（7）最大耗散功率PDM。最大耗散功率PDM =UDS ID，与半导体三极管的PCM类似，受管子最高工作温度的限制。

2. 注意事项

使用场效应管时要注意以下事项。

（1）在使用场效应管时，要注意漏源电压UDS、漏源电流ID、栅源电压UGS及耗散功率等值不能超过最大允许值。

（2）场效应管从结构上看，漏源两极是对称的，可以互相调用，但有些产品制作时已将衬底和源极在内部连在一起，这时漏源两极不能互换用。

（3）注意各极电压的极性不能接错。

特别强调：绝缘栅型场效应管的栅源两极绝不允许悬空，因为栅源两极如果有感应电荷，就很难泄放，电荷积累会使电压升高，而使栅极绝缘层击穿，造成场效应管损坏。因此要在栅源间绝对保持直流通路，保存时务必用金属导线将三个电极短接起来。在焊接时，烙铁外壳必须接电源地端，并在烙铁断开电源后再焊接栅极，以避免交流感应将栅极击穿，按S、D、G极的顺序焊好之后，再去掉各极的金属短接线。