完整版对场效应管工作原理的理解.docx
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完整版对场效应管工作原理的理解
如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。
场效应管的结构
场效应管是电压控制器件，功耗比较低。
而三极管是电流控制器件，功耗比较高。
但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，至恸米级大小。
所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。
对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。
场效应管具有很多比三极管优越的性能。
结型场效应管的结构
结型场效应管又叫JFET,只有耗尽型。
这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。
图为N沟道结型
场效应管的结构示意图。
在一块N型硅，材料（沟道）上引出两个电极，分别为源极（S）和漏极（D）。
在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极（G）。
这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。
当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。
如果在漏极及源极之间加上电压Uds，就有电流流过，Id将随Uds的增大而增大。
如果给管子加上负偏差Ugs时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区（如图a中阴影区所示）。
其性能类似
于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。
这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片（沟道）中的电流大小的目的。
注：
实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。
而且是
PN结工作在反向偏置的状态。
刚开机时，如果负偏置没有加上，此时Id是最大的。
特点：
1,GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大
2:
DS也是导通特性，阻抗比较大
3:
GS工作在反向偏置的状态。
4:
DS极完全对称，可以反用，即D当做S,S当做D。
从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源
极相当于发射极，漏极相当于集电极。
如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型
场效应管。
结型场效应管的符号如图b所示。
符号:
箭头的方向仍然是PN结正向导通的方向。
绝缘栅场效应管MOSFET
结型虽然电压控制方式，但是仍然有少子的飘移形成电流。
绝缘栅场效应管是栅极与衬底完全绝缘，所以叫绝缘栅场效应管。
绝缘栅型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用，绝缘栅场效应晶体管（MOSFET）分为增强型和
耗尽型两大类，每类中又有N沟道和P沟道之分，N沟道又叫PMOS管，P沟道又叫NMOS管。
不象双极型晶体管只有NPN和PNP两类，场效应晶体管的种类要多一些。
但是它们的工作原理基本相同，所以下面以增强型N沟道场效应晶体管为例来加以说明。
绝缘栅型场效应三极管MOSFET（MetalOxideSemiconductorFET）。
分为
增强型N沟道、P沟道
耗尽型N沟道、P沟道
N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图4.1。
其中:
D（Drain）
为漏极，相当c；
G（Gate）
为栅极，相当b；
S（Source）
为源极，相当e。
&衬底断开
B
（衬底断开是是指两个N区没有相连。
如果两个相连，靠改变沟道的宽度来控制电流就是耗尽
型）
制作过程:
（绿色部分）
在源极和漏极之间的绝缘层上镀
N沟道增强型MOSFET的符号如图所示。
左面的一个衬底在内部与源极相连，右面的一个没有连接，使用时需要在外部连接。
（衬底在内部与源极相连，所以绝缘栅MOSFET的D、S极是不能互换的。
箭头的方向仍然是
衬底和S极和D极的PN结方向，而栅极没有半导体，只是电容器的一个极板。
而结型的箭头是栅极向S极和D极的PN结方向，这就是为什么同样是N沟道，结型和绝缘栅型的箭头方向相反。
）
2N沟道增强型MOSFET的工作原理
对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理，分两个方面进行讨论，一是栅源电压Ugs对沟
道会产生影响，二是漏源电压Uds也会对沟道产生影响，从而对输出电流，即漏极电流Id产生影响
1）•栅源电压Ugs的控制作用
|电子工荃子
先令漏源电压Uds=O，加入栅源电压Ugs以后并不断增加。
UGS带给栅极正电荷，会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走，从而形成一层负离子层，即耗尽层，用绿色的区域表示。
（注：
耗尽层的载流子减少，导电能力变差）
同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷，若电子数量较多，从而在漏源之间可形成导电沟道。
显然改变Ugs就会改变沟道，从而影响Id，这说明Ugs对Id的控制作用。
当Ugs较小时，不能形成有效的沟道，尽管加有Uds，也不能形成Id。
当增加Ugs，使Id刚刚
出现时，对应的Ugs称为开启电压，用UGS（th）或Ut表示。
沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反，称为反型层。
此时若加上Uds，就会有漏极电
流Id产生。
2）•漏源电压Uds的控制作用
设Ugs>UGS（th），增加Uds，此时沟道的变化如下
oo®e
兰立巨于王离于负菽于
显然漏源电压会对沟道产生影响，因为源极和衬底相连接，所以加入Uds后，Uds将沿漏到源逐
渐降落在沟道内，漏极和衬底之间反偏最大，PN结的宽度最大。
所以加入Uds后，在漏源之间会形
电于三离工主複于
当Uds进一步增加时，Id会不断增加，同时，漏端的耗尽层上移，会在漏端出现夹断，这种状态
Id基本不再增加，增加的Uds基本
当Uds进一步增加时，漏端的耗尽层向源极伸展，此时
上降落在夹断区
3N沟道增强型M0SFET的特性曲线
N沟道增强型M0SFET的转移特性曲线有两条，转移特性曲线和漏极输出特性曲线
1）转移特性曲线
厶mA
N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示，它是说明栅源电压Ugs对漏极电流Id的控
制关系，可用这个关系式来表达，这条特性曲线称为转移特性曲线。
转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
gm称为跨导。
这是场效应三
极管的一个重要参数。
gm-|U^Ldsconst单位mS（mA/V）
Ugs1
2）漏极输出特性曲线
当UGs>UGS（th）,且固定为某一值时，反映UDS对Id的影响，即|D=f（UDS）UGS=const这一关
场效应三极管作为放大元件使用时，是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区，从曲线
上可以看出Uds对Id的影响很小。
但是改变Ugs可以明显改变漏极电流Id，这就意味着输入电压对
输出电流的控制作用
截止区
曲线分五个区域:
（1）可变电阻区
（2）恒流区（放大区）
（3）截止区
（4）击穿区
（5）过损耗区
从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线，过程如下:
4N沟道耗尽型MOSFET
N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定
量的正离子。
所以当Ugs=O时，这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。
于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。
当Ugs=0时，对应的漏极电流用Idss表示。
当Ugs>0时，将使Id进一步增加。
（注：
正
电压使导电层导电能力增强。
）
UgsV0时，随着Ugs的减小漏极电流逐渐减小，直至Id=0。
对应|d=0的Ugs称为夹断电压，用
符号UGs（f）表示，有时也用Up表示。
N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如上图所示。
P沟道增强型MOSFET的结构和工作原理
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电
电压极性不同而已。
这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样
关于场效应管符号的说明j
如果是P沟道,箭头则向外。
这都是从讲的比较好的文章中摘录下来的，结型的管子道理好理解，而mos管，大多数的讲解
都如此，不能让人理解。
首先我们看一下太阳能电池，太阳能电池实际就是一个PN结。
由于PN结的掺杂性，会在内部
形成一个电势差。
通常正向导通需要0.4~0.7伏的电压就是克服内电场的。
硅管和锗管的电压不同。
而反接的时候，在没有击穿的时候，相当于一个电容器，充满电就不能导电了。
变容二极管就是这种运用。
而在太阳能电池里面，PN结是当电池使用，
在电池的外部，P区的电子会通过电阻到N区和正电何中和，这种作用会使PN结电压降低。
而扩散又会使PN结的电压升高。
当达到平衡时，会形成恒定的电流。
从能量的角度，PN结从外面吸
收能量，转化为电能，电能又通过电阻转化为热能。
下面我们来看场管的工作原理
5GD
N1-\
当场管没有加任何电压时，D极和S极有两个完全相同的PN结，这时N区的电势会比P区高,当，场管在内部把S极和衬底相连时，PN结绝对不会消失，因为PN结电压很小，实际测量只有几毫伏。
这时导线可以看成一个小电阻，不能忽略。
但可以使PN结电压降低，此时D、S两极的PN
结宽度已经不相等了，而且S极宽度较小。
ScD
0NN
当给S极和G极加上正向电压的时候，P材料和N材料就和G极构成一个电容器，由于充电效应，栅极带正电，下面相对的N型和P型材料表面就构成另一个极板，都带负电，这样整个表面就
成了一个等势面。
从而使两个N连在一起了
但是由于PN结的存在，P衬底和N绝对不会电势相等，这样由于电场的作用，就把P衬底分成
两个区。
当VGS很小时，虽然连在一起，但是并不能形成ID，因为这些负电荷被原子核吸附住了。
并不
能自由移动。
同样在PN结之间形成的耗尽层，里面的载流子也很少，只有当VGS增加到一定的程
度，下面等势面宽度变宽，负电荷增多，且有可以自由移动的电荷时，才会形成有效的电流，这就是开启电压，所以VGS能起到控制电流的作用。
我们来看一下，电容器的情况，当把一个金属块放在两个电容中间时，出现的情况。
卜十十4-++
此时的MOS管正是这种情况。
当再DS之间加上电压时，电流流过负极板这一层，会形成电压降。
使得负极板各处的电压不相等。
我们可以等效为这种情况。
把下表面看成一小块一小块的。
IHI1
IH
这样越靠近S极，两板的电势差越大，充电就越多，导电区域就越宽。
反之越靠近D极，两板
的电势差越小，充电就越少，导电区域就越窄。
下面的耗尽层这时我们不作讨论。
当ID增加到一定值时，靠近D极的一端会出现电势相等的情况，那么下表面不会感应出负电荷，
当理解了MOS管的工作原理之后，其它知识就可以循序渐进的进行学习和理解了，不管这种解释是否合理，至少是让人容易理解理解了MOS管的工作原理。
由于结构不一样，测量时也不一样。
1、增强型MOS管，
1）、没有加电压时，GS,GD、DS任意两个脚都是不通的，
2）、如果DS是导通的，不能马上认为是击穿损坏，因为如果先测量GS,因为万用表内部电压,相当于给栅极G充电，DS沟道就联通了。
这是应该将栅极G和源极S短路一下，把充电放掉，再测量，如果不通是好的，通就是击穿短路的。
2、耗尽型MOS管的测量方法
耗尽型MOS管的GS和GD都是不通的，但DS是导通的。
用万用表给GS加负电压，DS之间的电阻应该增大。
下面简述一下用C-MOS场效应管（增强型MOS场效应管）
就是将一个P沟道的增强型PMOS场效应管和N沟道的增强型NMOS场效应管组合在一起使用,叫C-MOS场效应管
电路的工作过程如下。
当输入端为低电平时，P沟道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接
通。
当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。
在该电路中，P沟道
MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。
很简单就组成一个反向器。
所以在大规模集成电路中使用广泛。
通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。
同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有
到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。
不同场效应管其关断电压略有不同。
也正因为如此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。
由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程（见图10）。
工作原理
同前所述。
场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子，即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电，因此称为双极型晶体管，而FET仅是由多数
载流子参与导电，它与双极型相反，也称为单极型晶体管。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108〜109◎）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
VMOS场效应管
VMOS场效应管（VMOSFET）简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管
它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。
它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高
（＞108Q）、驱动电流小（左右0.1叭左右），还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大
（1.5A〜100A）、输出功率高（1〜250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。
正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身，因此在电压放大器（电压放大倍数可达数千倍）、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。
众所周知，传统的MOS场效应管的栅极、源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上，其工作电流基本上是沿水平方向流动。
VMOS管则不同，从左下图上可以看出其两大结构特点：
第一，金属
栅极采用V型槽结构；第二，具有垂直导电性。
由于漏极是从芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片
水平流动，而是自重掺杂N+区（源极S）出发，经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区，最后垂直向下到达漏极D。
电流方向如图中箭头所示，因为流通截面积增大，所以能通过大电流。
由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层，因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。
国内生产VMOS^效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等,典型产品有VN401VN672VMPT等。
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