1.3 场效应管
场效应晶体管（Field Effect Transistor，FET）简称场效应管。由多数载流子参与导电，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（107～1012Ω）、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。如图1-48所示为场效应管的实物图。
图1-48 场效应管实物图
场效应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。
场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。
按沟道材料结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式，又分为耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
1.3.1 结型场效应管（JFET）
1.结型场效应管的结构和工作原理
（1）结构
结型场效应管有两种结构形式，它们是N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管。
结型场效应管也具有三个电极，它们是：栅极G；漏极D；源极S。结型场效应管结构如图1-49（a）所示。在N型半导体两侧制作两个高掺杂的P区，从而形成两个PN结（耗尽层），把两侧P区连接在一起，引出一个电极，为栅极G；在N型半导体两端各引出一个电极，分别为源极S和漏极D。两个耗尽层中间的N区是载流子从源极流向漏极的通道，称导电沟道。这种导电沟道是N型半导体，称为N沟道结型场效应管，其电路符号如图1-49（b）所示。栅极上箭头向里，表示栅、源极间PN结正向的方向。
如图1-49（c）所示是P沟道结型场效应管的结构和电路符号。P沟道的应用不如N沟道普遍。
图1-49 结型场效应管
（2）工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理相同，以下以N沟道结型场效应管为例分析。
① uGS对导电沟道的控制作用。当uDS=0V，且uGS=0时，耗尽层很窄，导电沟道很宽，如图1-50（a）所示。
图1-50 uDS=0V时，uGS对导电沟道的控制作用
当|uGS|增大时，耗尽层加宽，沟道变窄，如图1-50（b）所示，沟道电阻增大。当|uGS|增大到某一数值时，耗尽层闭合，沟道消失，如图1-50（c）所示，沟通电阻趋于无穷大，称此时uGS的值为夹断电压UGS（off）。
② uDS对漏极电流iD的影响。当uDS=0时，由于结型场效应管的d与s之间没有电压降，因此iD=0，此时uDS对导电沟道没有影响。
当uDS＞0时，有漏极电流iD从漏极流向源极，并且iD使导电沟道从漏极到源极的N型半导体区域中，各点电位不等，靠近漏极处电位高，靠近源极处电位低。因此在从漏极到源极的不同位置上，栅极与沟道之间的电位差也是不相等的，越靠近漏极电位差越大，加在PN结上的反向电压就越大；越靠近源极电位差越小，加在PN结上的反向电压也越小。这样使得耗尽层的宽度在漏极附近比在源极附近要宽，导电沟道的形状在靠近漏极处比靠近源极处要窄，如图1-51（a）所示。
图1-51 uDS对导电沟道的影响
因为uGD=uGS-uDS，因此当uDS从零开始增大时，uGD逐渐减小，使靠近漏极处的导电沟道也随之变窄。当uDS增大到使uGD=UGS（off）时，导电沟道在漏极处开始夹断，称为预夹断，如图1-51（b）所示。预夹断后，如果uDS继续增大，则预夹断点向源极方向延伸，如图1-51（c）所示。
由此可见，结型场效应管工作时具有以下特点。
① 结型场效应管工作时，栅-源之间加反向电压，使两个PN结均反向偏置，栅极电流iG≈0，故JEFT是输入电阻很大。
② 当uDS为某一常数时，通过改变栅-源电压uGS可以控制漏极电流iD的变化，因此称结型场效应管是一种电压型控制器件。
③ 当栅-源电压uGS为0～UGS（off）的某一常数时，uDS对导电沟道的影响是使导电沟道变成上窄下宽的楔型。导电沟道预夹断之前，uDS与漏极电流iD近似为线性关系，预夹断之后， uDS增大不会引起iD的继续增大。
④ 通常将uGS=0时就存在导电沟道的FET称为耗尽型场效应管，uGS=0时不存在导电沟道的FET称为增强型场效应管。因此JEFT均为耗尽型场效应管。
2.结型场效应管的特性曲线
场效应管的特性曲线通常有输出特性和转移特性两种。
（1）输出特性曲线
输出特性曲线是指uGS一定时，iD与uDS的关系曲线，又称漏极特性曲线，即iD=f（uDS）|uGS=常数，如图1-52（a）所示为N沟道结型场效应管的输出特性曲线，它可分为四个区域：
图1-52 结型场效应管的特性曲线
① 可变电阻区。可变电阻区是uDS较小，iD随uDS线性上升的区域，所以漏源极之间是一线性电阻RDS。uGS负值越大，沟道越窄，RDS越大，特性曲线斜率越小。所以，这个区域中，场效应管的漏源极之间可看成一个由电压uGS控制的可变电阻，即压控电阻。
② 恒流区——线性放大区。在恒流区，特性曲线是一族近乎平行于uDS轴的水平线。iD受uGS的控制，而几乎不随uDS变化，所以称为恒流区或饱和区。场效应管作放大器件时，工作在这个区域。
③ 击穿区。当uDS增加到一定数值后，栅源间的PN结上的反偏电压uGS超过它能承受的极限值而发生击穿，致使iD急剧上升，进入击穿区。uGS越负，击穿的uDS越小，管子被击穿后不能正常工作，甚至很快烧毁。
④ 截止区。当uGS＜UGS（off）时，沟道完全夹断，iD≈0，管子处于截止状态。
（2）转移特性曲线
转移特性曲线是指uDS一定，iD输出与uGS输入的关系曲线，即iD=f（uGS）|uDS=常数，它表示uGS对iD的控制作用。
如图1-52（b）所示为N沟道结型场效应管的转移特性曲线。从图中看出，栅、源反偏电压uGS越负，iD越小。当UGS=-4V时，iD≈0，夹断电压UGS（off）=-4V，图中uGS=0时的漏极电流称饱和漏极电流IDSS。结型场效应管工作在放大区，iD可近似表示为
（1-24）
3.结型场效应管的主要参数
（1）夹断电压UGS（off）
当UDS一定时，使iD接近于零或等于一个微小电流（如50μA）时的栅源电压UGS，即为夹断电压。对N沟道场效应管，UGS（off）为负值；对P沟道场效应管，UGS（off）为正值。
（2）饱和漏极电流IDSS
在UGS=0的条件下，外加漏源电压使场效应管工作在放大区时的漏极电流，称饱和漏极电流IDSS。
（3）直流输入电阻RDS
表示栅、源间的直流电阻。
（4）低频跨导gm
在uDS为定值时，漏极电流iD的变化量和引起它变化的uGS的变化量之比，称跨导或互导，即
（1-25）
gm反映了栅源电压uGS对漏极电流iD的控制能力，它表示场效应管放大能力的重要参数。单位西门子（S），mS，μS。
1.3.2 绝缘栅场效应管（MOS管）
结型场效应管输入电阻实质上是PN结的反射电阻，虽可高达108Ω左右，但当温度升高时，PN结反向电流（栅极电流）增大，输入电阻还要下降。绝缘栅场效应管的栅极处于绝缘状态，输入电阻可高达1015Ω左右。
绝缘栅场效应管有增强型和耗尽型两个类型，每类又可分为N沟道和P沟道两种。
1. N沟道增强型绝缘栅场效应管
（1）结构
如图1-53（a）所示为N沟道增强型绝缘栅场效应管的结构示意图，它以一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，在衬底上面的左右两侧制成两个高掺杂的N+区，并用金属铝引出两个电极，作为源极S和漏极D，然后在硅片表面覆盖一层很薄的SiO2绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再喷一层金属铝作为栅极G，另外衬底引出衬底引线B（它通常在管内与源极S连接）。这种管子由金属、氧化物和半导体组成，故称MOS管。N沟道的MOS管，简称NMOS。
如图1-53（b）、（c）所示分别为表示增强型NMOS管和增强PMOS管的符号。漏、源间的断续线表示增强型。NMOS管的衬底B的箭头向里，表示衬底P指向沟道N。
图1-53 N沟道增强型绝缘栅场效应管
（2）工作原理
现以图1-54所示电路来讨论增强型MOS管uDS对iD的影响。N沟道增强型绝缘栅场效应管属电压控制型器件，当栅源极电压uGS=0时，管子的漏极和源极之间没有导电通道，极间等效电阻很高，漏极电流iD近似为零。
图1-54 uGS为大于UGS（th）的某一值时，uDS对iD的影响
当uGS足够大时，由于静电场作用，管子的漏极和源极之间将产生一个导电通道（称为沟道），极间等效电阻较小，在uDS作用下，可以形成一定的漏极电流iD。uGS越大，导电沟道宽度越宽，等效电阻越小，漏极电流iD越大。产生导电沟道所需的最小栅源电压称为开启电压UGS（th）。改变栅源电压，就可以改变导电沟道的宽度，也就可以有效地控制漏极电流iD的数值。上述这种在uGS=0时没有导电沟道，因而必须在uGS≥UGS（th）时才形成导电沟道的场效应晶体管称为增强型场效应管。还有一种场效应管在栅源电压为零时已经存在沟道，这种场效应晶体管称为耗尽型MOS管。
（3）N沟道增强型MOS管的特性曲线和参数
① 输出特性曲线。增强型NMOS管的输出特性曲线如图1-55（a）所示。它与N沟道结型场效应管相似，也分四个区域。
图1-55 N沟道增强型MOS管的特性曲线
② 转移特性曲线。增强型NMOS管的转移特性曲线如图1-55（b）所示。当uGS＜uGS（th）时，iD=0；uGS=uGS（th）开始形成iD，且随着uGS的增大，iD增加。
在放大区内，增强型NMOS管的iD可近似表示为
（1-26）
式中，IDO是uGS=2UGS（th）时的iD值。
③ 参数。增强型NMOS管的参数大部分和N沟道结型管类似，只不过用开启电压UGS（th）取代夹断电压UGS（off）。此外，没有饱和漏极电流IDSS。
2. N沟道耗尽型绝缘栅场效应管
（1）结构和原理
耗尽型NMOS管与增强型NMOS管的结构基本相同，如图1-56所示。主要区别是：这类管子在制造时，已在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，在uGS=0时，这些正离子产生的电场，使漏、源极间，已形成了反型层的N型导电沟道，只要加上正向电压uDS，就有iD产生。如果uGS为正，加强了绝缘层中的电场，将吸引更多的电子，使沟道加宽，iD增大。反之，uGS为负，则iD减小。
图1-56 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管
当uGS负向增加到某值时，导电沟道消失，iD≈0，这时所对应的uGS称夹断电压UGS（off）。由于当uGS减小到UGS（off）时，耗尽层加宽，沟道变窄而夹断，故称“耗尽型”。显然，结型场效应管属于“耗尽型”。
（2）耗尽型NMOS管的特性曲线
耗尽型NMOS管的输出特性曲线和转移特性曲线如图1-57所示。
图1-57 耗尽型NMOS管的特性曲线
在恒流区内的电流iD近似表达为
（1-27）
式中，IDSS是uGS=0时的漏极电流。
（3）参数
耗尽型NMOS管的主要参数与N沟道结型场效应管一样。
P沟道MOS管与N沟道MOS管的原理相同，主要区别是衬底半导体材料类型不同，所以使用时uGS、uDS的极性与NMOS管相反。
3. 场效应管偏置电压的极性
不同类型的场效应管，偏置电压的极性也不同。
① uDS的极性决定于沟道：N沟道为正；P沟道为负。
② uGS的极性决定于型号：结型的uGS与uDS极性相反；增强型的MOS管uGS与uDS极性相同；耗尽型MOS管uGS可正、可负、可为零。
知识链接
1.单向可控硅的检测
万用表选用电阻R×1挡，用红黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑笔接的引脚为控制极G，红笔接的引脚为阴极K，另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A，红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短接线瞬间短接阳极A和控制极G，此时万用表指针应向右偏转，阻值读数为10Ω左右。如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅已击穿损坏。
2.双向可控硅的检测
万用表选用电阻R×1挡，用红黑两表笔分别测任意两引脚正反向电阻，结果其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时，该组红黑表笔所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G，另一空脚即为第二阳极A2。确定A、G极后，再仔细测量A1、G极间正反向电阻，读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1，红表笔所接引脚为控制极G。将黑表笔接已确定了的第二阳极A2，红表笔接第一阳极A1，此时万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。再用短接线将A2、G极瞬间短接，给G极加上正向触发电压，A2、A1间阻值约为10Ω左右。随后断开A2、G极短接线，万用表读数应保持10Ω左右。互换红黑表笔接线，红表笔接第二阳极A2，黑表笔接第一阳极A1。同样万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。用短接线将A2、G极间再次瞬间短接，给G极加上负向的触发电压，A1、A2间阻值也是10Ω左右。随后断开A2、G极间短接线，万用表读数应不变，保持10Ω左右。符合以上规律，说明被测双向可控硅管未损坏且三个引脚极性判断正确。
检测较大功率可控硅管，需要在万用表黑笔中串接一节1.5V干电池，以提高触发电压。