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场效应管

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发表于 2024-1-9 00:35:48 | 显示全部楼层 |阅读模式

场效应管(Field Effect Transistor,FET)也是 Transistor,而且基本形式也是三个脚,那它是不是三极管(Transistor)的一种呢?

"Transistor" 这个词的英文原意是由 "transfer" 和 "resistor" 两个词组合而成的。"transfer" 表示转移或传送,而 "resistor" 表示电阻器。因此,"transistor" 的字面意思是“转移电阻器”或“传送电阻器”。然而,在电子学中,"transistor" 并不是真的用来“转移电阻”的。实际上,晶体管(transistor)是一种半导体器件,用于放大或开关电子信号。晶体管通过控制输入电流或电压来控制输出电流,从而实现信号的放大或开关功能。所以,通常晶体管特指由电流放大作用的晶体三极管(也称双极型晶体管),在更广泛的语境中,Transistor 可用来指代各种类型的晶体管,而不仅限于三极管。

场效应管是一种电压控制型半导体器件,也称为单极型晶体管。它依靠半导体中的多数载流子导电,并利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路的电流。FET 具有输入电阻高、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。

上边提到了两个概念:单极型晶体管与双极型晶体管。那么这里的“极型”又是什么意思呢?它通常指的是半导体材料中载流子(电子和空穴)的类型以及它们如何响应外部电场或电压。单极型晶体管和双极性晶体管(双极型晶体管)是两种不同类型的晶体管,它们在工作原理、结构和应用方面有所不同。

  1. 单极型晶体管(Unipolar Transistor):
    • 单极型晶体管主要依靠一种载流子(要么是电子,要么是空穴)来导电。
    • 场效应管(FET)就是一种单极型晶体管。在场效应管中,电流是通过半导体中的多数载流子(在 N 型半导体中是电子,在 P 型半导体中是空穴)流动的。
    • FET 通过改变栅极(Gate)与源极(Source)之间的电压来控制沟道的导电性,从而控制漏极(Drain)与源极之间的电流。
  2. 双极性晶体管(Bipolar Transistor):
    • 双极性晶体管同时利用电子和空穴两种载流子来导电。
    • 常见的双极性晶体管有 NPN 型和 PNP 型两种。在这两种晶体管中,都有两个 PN 结,因此得名“双极”。
    • 双极性晶体管通过控制基极(Base)与发射极(Emitter)之间的电流来控制集电极(Collector)与发射极之间的电流。这种控制作用是通过 PN 结的放大效应实现的。

简而言之,“极型”在这里指的是晶体管中参与导电的载流子类型(电子或空穴),以及晶体管结构中所涉及的 PN 结的数量和类型。单极型晶体管主要依赖一种载流子,而双极性晶体管则同时利用电子和空穴。

FET 主要有两种类型:结型场效应管(Junction FET,JFET)和金属-氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor FET,MOSFET)。

FET 的工作原理是通过控制栅极(Gate)与源极(Source)之间的电压(即栅源电压 Vgs),进而改变漏极(Drain)与源极之间的电流(即漏源电流 Ids)。当栅源电压为零时,由于 P 型半导体和 N 型半导体在空间电荷分布上的差别,会在内部产生一个电动势,这个电动势会阻止外部电流通过,此时 FET 处于截止状态。当栅源电压增加时,会吸引更多的载流子到栅极下方,形成一个导电沟道,此时 FET 开始导通,漏源电流会随着栅源电压的增加而增加。

FET 的特性包括高输入阻抗、低噪声、低功耗、高速度等,这些特性使得 FET 在模拟电路、数字电路、功率电路等领域都有广泛的应用。例如,FET 可以用作放大器、开关、振荡器、滤波器等电路元件,也可以用于制造传感器、存储器等电子器件。

理解场效应晶体管,先从 JFET 开始。

与三极管类似,箭头画在栅极 G,总是指向 N 型半导体,这是用来区分电路符号是 N 沟道还是 P 沟道的。

结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor,JFET):JFET 是由 PN 结栅极(G)与源极(S)和漏极(D)构成的一种具有放大功能的三端有源器件。其工作原理就是通过电压改变沟道的导电性来实现对输出电流的控制。

在一块 N 型半导体上制作两个高掺杂的 P 区并将它们连接在一起,所引出的电极称为栅极 G(Gate),N 型半导体两端分别引出两个电极,分别称为漏极 D(Drain),源极 S(Source)。从名字上来理解也是很通俗的,场效应晶体管好比是水空头,源极 S 是水的来源(进水口),漏极 D 是排水(Drain)口(出水口),而栅极 G 则是阀门。当改变 VGS 时,沟道的宽窄发生了变化,当电压达到一定程度,阀门彻底关闭,阻断电流。

场效应管是一种单极型晶体管,它只有一个 PN 结,在零偏压的状态下, 它是导通的,如果在其栅极(G)和源极(S)之间加上一个反向偏压(称栅极偏压)在反向电场作用下 PN 结变厚(称耗尽区)沟道变窄,其漏极电流将变小(如图 b) ;反向偏压达到一定时, 耗尽区将完全沟道“夹断”,此时,场效应管进入截止状态(如图 c),此时的反向偏压我们称之为夹断电压 Vp

夹断电压(Vp)与 VGS(栅源电压)之间的关系在场效应管(特别是结型场效应管(JFET)和耗尽型绝缘栅型场效应管(MOSFET))的工作原理中非常重要。

对于这两种类型的场效应管,当 VGS = 0 时,已经存在导电沟道。随着 VGS 的负向增大(对于 N 沟道器件)或正向减小(对于 P 沟道器件),沟道逐渐变窄,沟道电阻增大,漏极电流 ID 逐渐减小。当 VGS 达到某个特定值时,沟道会完全夹断,此时 ID 几乎为 0。这个特定的 VGS 值就是夹断电压 Vp

换句话说,夹断电压 Vp 是使得沟道完全夹断、漏极电流 ID几乎为 0 的 VGS 值。在 VGS 达到 Vp 之前,场效应管处于导通状态,沟道中存在电流;当 VGS 达到或超过 Vp 时,场效应管进入夹断区,沟道被夹断,电流几乎无法通过。

需要注意的是,对于增强型绝缘栅型场效应管(如增强型MOSFET),在 VGS = 0 时沟道是不存在的,需要正的 VGS(对于 N 沟道器件)或负的 VGS(对于 P 沟道器件)来开启沟道。因此,夹断电压的概念对于增强型器件来说并不完全适用,而是用开启电压或阈值电压来描述其特性。

对于结型场效应晶体管(JFET),最常见到的是耗尽型 JFET(D-JFET),即在 0 栅偏压时就存在有沟道的 JFET;一般,不使用增强型 JFET(E-JFET)——在 0 栅偏压时不存在沟道的 JFET。这主要是由于长沟道 E-JFET 在使用时较难以产生出导电的沟道、从而导通性能不好的缘故。不过,由于高速、低功耗电路中应用的需要,有时也需要采用 E-JFET。

JFET 导电的沟道在体内。耗尽型和增强型这两种晶体管在工艺和结构上的差别主要在于其沟道区的掺杂浓度和厚度。D-JFET 的沟道的掺杂浓度较高、厚度较大,以致于栅 PN 结的内建电压不能把沟道完全耗尽;而 E-JFET 的沟道的掺杂浓度较低、厚度较小,则栅 PN 结的内建电压即可把沟道完全耗尽。

但是,对于短沟道 E-JFET,情况则有所不同,因为这种晶体管的漏极电压可以作用到源极附近,使得沟道中的势垒降低,所以能够形成导电沟道。这种 E-JFET 从本质上来说也就是静电感应晶体管。

金属-氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide Semiconductor FET,MOSFET)它的结构主要由金属、氧化物(通常为 SiO2 或 SiN)和半导体材料构成。

这种晶体管具有源极(Source)、栅极(Gate)、漏极(Drain)和主体(Body,也称衬底)四个端子。通常, MOSFET 的主体与源极端子会连接在一起,从而使其在三端模式下工作,与常规场效应晶体管相似。

MOSFET 的工作原理是通过控制栅极与源极之间的电压,即栅源电压(Vgs),来改变漏极与源极之间的电流,即漏源电流(Ids)。具体地说,当在栅极和源极之间施加适当的电压时,会在半导体中形成一个导电沟道,使电流能够从源极流向漏极。沟道的形成和宽度受到栅极电压的控制,从而实现了对电流的调控。

原理图符号相对来说复杂了些,但很类似,不同的是箭头画在了衬底极,相同的是总是指向 N 型半导体(沟道或衬底),可以用来区分电路符号是 N 沟道还是 P 沟道的。二极管可以理解为 D 与衬底形成的 PN 结。

MOSFET 和 JFET 都是场效应晶体管(FET),不过,它们在结构和工作原理上存在一些明显的差异:

  1. 结构:JFET 是一种结型场效应晶体管,具有三个端子:源极、漏极和栅极,且其栅极是反向偏置的。而 MOSFET 是金属氧化物半导体场效应晶体管,通常具有四个端子,包括源极、漏极、栅极和衬底(尽管在实际应用中,衬底通常与源极连接,因此有时也将其视为三端器件)。
  2. 工作原理:在工作原理上,JFET 只能在耗尽模式下工作,即通过控制栅极电压来耗尽沟道中的载流子,从而控制漏极和源极之间的电流。而 MOSFET 既可以在耗尽模式下工作,也可以在增强模式下工作。在增强模式下,当栅极电压超过阈值电压时,会在沟道中形成反型层,从而允许电流从源极流向漏极。
  3. 输入阻抗:JFET 和 MOSFET 都具有很高的输入阻抗,但 MOSFET 的输入阻抗通常比 JFET 更高,这得益于金属氧化物绝缘体在栅极和沟道之间提供的高电阻。
  4. 栅极泄漏电流:虽然 JFET 和 MOSFET 的栅极泄漏电流都相对较小,但 MOSFET 的栅极泄漏电流通常比 JFET 更小,这有助于降低功耗和提高器件的稳定性。

总的来说,MOSFET 和 JFET 在结构、工作原理、输入阻抗和栅极泄漏电流等方面存在差异。这些差异使得 MOSFET 在某些应用场合(如低功耗、高输入阻抗和需要增强模式操作等)具有优势,而 JFET 则在其他应用场合(如简单结构和较低成本等)具有优势。

由于 MOSFET 具有的多种优点,如输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象以及安全工作区域宽等。这些特性使得 MOSFET 在电子开关领域具有广泛的应用,并已成为功率晶体管和双极型晶体管的有力竞争者。


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