结型场效应管(JFET)的结构及工作原理

2011-08-16 14:04阅读：

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结型场效应管
　　场效应管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。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。
　　场效应管分为结型和MOS型两种，结型包括N沟沟道和P沟道，MOS型也包括N沟道和P沟道两种，它们分别包含了增强型和耗尽型。
1. N沟道结型场效应管的结构和符号
　　结型场效应管是一种利用耗尽层宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流的大小的器件。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。P区即为栅极g(G)，N型硅的一端是漏极d(D)，另一端是源极s(S)。
　　箭头方向表示栅结正偏或正偏时栅极电流方向。

N沟道结型场效应管结构动画

（1）VGS对导电沟道的影响：
　　(a) VGS=0，

VDS=0,ID=0　
　　VP(VGS(OFF) )：夹断电压栅源之间是反偏的PN结，RGS>107Ω，所以IG=0

　　　　　　(b) 0<│VGS│< │VP│　　　　　　　(c) |VGS | = │VP│ ，
　　　　　　│VGS│↑→耗尽层变宽　　　　　　　　导电沟道被全夹断
　　　　　　
（2）VDS>0 但|VGS-VDS| < | VP | ，时

(a) VDS增加，d端电位高，s端电位低，导电沟道内存在电位梯度，所以耗尽层上端变宽。
　　VDS↑→ ID ↑

(b)| VGS- VDS | = | VP |时，导电沟道在a点相遇，沟道被夹断。
VGS=0时，产生夹断时的ID称为漏极饱和电流IDSS

(c) VDS↑→夹端长度↑场强↑→ ID=IDSS基本不变。

输出特性: 表示VGS一定时，iD与VDS之间的变化关系。

　　结型场效应管的输出特性动画

(1) 截止区（夹断区）
　　如果VP= -4V，
　　 VGS= -4V以下区域就是截止区
　　 VGS≤ VP 　　ID=0

(2) 放大区（恒流区）产生夹断后，VDS增
大，ID不变的区域
　　│VGS -VDS │≥│VP│
　　 VDS↑→ID不变
　　处于恒流区的场效应管相当于一个压控电流源

(2) 饱和区（可变电阻区）
　　未产生夹断时，VDS增大，ID随着增大的区域
　　│VGS -VDS│≤│VP│　 VDS↑→ID
　　处于饱和区的场效应管相当于一个压控可变电阻

　　结型效应管的工作原理动画

　　转移特性 : 表示vDS一定时，iD与vGS之间的变化关系。

　　　　　　　　　　　场效应管的转移特性曲线动画

　　转移特性描述了在VDS一定时，VGS对iD的控制作用。可直接从输出特性曲线上做图求出。

　　当|VGS - VDS |≥ | VP |后，管子工作在恒流区，VDS对iD的影响很小。实验证明，当|VGS - VDS |≥ | VP | 时，iD可近似表示为：

结型场效应管(JFET)的结构及工作原理
一、结型场效应管的结构

如图1(a)所示，在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结，即耗尽层。把两个P+区并联在一起，引出一个电极g，称为栅极，在N型半导体的两端各引出一个电极，分别称为源极s和漏极d。它们分别与三极管的基极b、发射极e和集电极c相对应。夹在两个P+N结中间的N区是电流的通道，称为导电沟道（简称沟道）。这种结构的管子称为N沟道结型场效应管，它在电路中用图1(b)所示的符号表示，栅极上的箭头表示栅-源极间的P+N结正向偏置时，栅极电流的方向（由P区指向N区）。
N沟道JFET的结构剖面图
结型场效应管(JFET)的结构及工作原理

结型场效应管(JFET)的结构及工作原理

图2
如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。图2给出了这种管子的结构示意图和它在电路中的代表符号。
由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。
二、工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。
N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压（鼠标单击图1中“结型场效应管的工作原理”)，即在栅-源极间加一负电压(vGS＜0)，使栅-源极间的P+N结反偏，栅极电流iG≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。在漏-源极间加一正电压(vDS＞0)，使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制，同时也受漏-源电压vDS的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对沟道电阻及漏极电流iD的控制作用，以及漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。(再单击图1中“结型场效应管的工作原理”，并分别单击其下方的三排热字)

详细说明：
1．vGS对沟道电阻及iD的控制作用

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(a) vGS=0的情况 (b) VP<vGS<0的情况
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(c) vGS≤VP
图2
图2所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。当栅-源电压vGS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2(a)所示。当vGS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|vGS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图2(b)所示。当|vGS| 进一步增大到一定值|VP| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压vDS，漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用VP表示。
上述分析表明，改变栅源电压vGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS，则漏极电流iD将受vGS的控制，|vGS|增大时，沟道电阻增大，iD减小。上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流iD的大小。
2．vDS对iD的影响
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(a)vDS<vGS-VP的情况 (b)vDS=vGS-VP的情况
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(c)vDS>vGS-VP的情况
图3
设vGS值固定，且VP<vGS<0。当漏-源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为 |vGD| )，即加到该处P+N结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图3(a)所示。
在vDS较小时，它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。随着vDS的进一步增加，靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应增加，iD随vDS上升的速度趋缓。
当vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时，漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，如图3(b)所示，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD≠0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。若vDS继续增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图3(c)，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流iD却基本上趋于饱和，iD不随vDS的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大，vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上，沟道电场强度增加不多，因而iD基本不变。但当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿，iD会急剧增加，正常工作时vDS不能超过V(BR)DS。
从结型场效应管正常工作时的原理可知：① 结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的，因此，栅极电流iG≈0，输入阻抗很高。② 漏极电流受栅-源电压vGS控制，所以场效应管是电压控制电流器件。③ 预夹断前，即vDS较小时，iD与vDS间基本呈线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。
P沟道结型场效应管工作时，电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。

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