场效应晶体管的结构和工作原理

场效应晶体管是一种利用控制输入电路的电场效应来控制输出电路电流的半导体器件，并以此命名。因为它只依靠半导体中的多数载流子来导电，所以又称为单极晶体管。场效应晶体管英文是Field Effect Transistor，缩写为FET。主要有两种类型：结型场效应管 (JFET) 和金属氧化物半导体场效应管 (MOSFET)。

一、结构及工作原理

场效应晶体管分为两大类：结型场效应晶体管（JFET） 和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

根据沟道材料类型和绝缘栅类型，有N沟道和P沟道晶体管；

根据传导方式，有耗尽型和增强型。JFET都是耗尽型，MOSFET既有耗尽型也有增强型。

1.结场效应晶体管

(1) 结构

N沟道结型场效应晶体管的结构如下图所示。它是在N型半导体硅片的每一面都制作一个PN结的结构，形成两个PN结夹在一个N型沟道中的结构。两个P区为栅极，N型硅的一端为漏极，另一端为源极。

（二）工作原理

以N沟道为例说明其工作原理。

当VGS=0时，当在漏极和源极之间施加一定的电压时，多数载流子将在漏极和源极之间漂移，产生漏极电流。当VGS<0时，PN结反向偏置，形成耗尽层。漏极和源极之间的沟道会变窄，ID会减小。如果VGS继续降低，沟道会继续变窄，ID会继续降低，直到达到0。当ID为0时，对应的VGS称为夹断电压VGS(off)。

(3) 结型场效应晶体管的特性曲线

结型场效应晶体管有两条特性曲线，

一是输出特性曲线(ID=f(VDS)|VGS=constant)，二是传递特性曲线(ID=f(VGS)|VDS=constant)。

N沟道结型场效应晶体管的特性曲线如下图所示。

2.金属氧化物半导体场效应管

金属氧化物半导体场效应晶体管分为：

耗尽型→ N通道、P通道

增强型→ N 通道、P 通道

(1) N沟道耗尽型场效应晶体管的结构

 N沟道耗尽型的结构和符号 如下图（a）所示。栅极下方的SiO2绝缘层掺杂了大量的正金属离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经诱导了反转层，形成了通道。因此，只要有漏源电压，就有漏电流。

当 VGS>0 时，ID 会增加。当 VGS <0 时，漏极电流随着 VGS 的减小而逐渐减小，直到 ID=0。ID=0时的VGS称为夹断电压，有时用符号VGS(off)或VP表示。

N沟道耗尽型的传输特性曲线如下图（b）所示。

(2) N沟道增强型场效应管

N沟道增强型场效应晶体管具有类似于耗尽型的结构。但是当VGS=0V时，在漏极和源极之间加一个电压是不会形成电流的。当对栅极施加电压时，如果VGS>VGS(th)，则形成沟道，连接漏极和源极。如果此时施加漏源电压，则可以形成ID。

当VGS=0V，ID=0，增强型漏极电流只有在VGS>VGS(th)后才会出现。

VGS(th)——开启电压或阀门电压；

(3) P沟道增强型和耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只是导电载流子和供电电压的极性不同。这类似于 NPN 和 PNP 类型的双极晶体管。

3. 场效应管的伏安特性曲线

场效应晶体管的特性曲线有很多种。根据不同的导电通道以及是增强还是耗尽，有四种传输特性曲线和输出特性曲线，它们的电压和电流方向也不同。如果统一指定正方向，则将在不同的象限中绘制特征曲线。为了便于绘制，将P沟道晶体管的正向颠倒了。相关曲线如下图所示。

4.各种场效应管特性比较

(a) 传递特性曲线 (b) 输出特性曲线

二、场效应晶体管参数

场效应管的参数有很多，包括直流参数、交流参数、极限参数，但总的来说，我们只需要关注以下几个参数。

(1) 夹断电压 (UP)

这是指在规定的漏极电压UDS下，当漏极电流/D（即沟道电流）为零或小于一个小电流值（例如1μA . 10μA ）时，加在栅极上的电压UGS。它是结型或耗尽型 MOS 场效应晶体管的重要参数。

(2)开启电压 (UT)

这是当漏极电压 UDS 处于某个值时，导电沟道（在漏极和源极之间）刚刚导通时的栅极电压 UGS。它是增强型场效应晶体管的一个重要参数。当栅极电压UGS小于导通电压的绝对值时，场效应管不能导通。

(3)饱和漏电流 (DSS)

它是指在栅源短路（UGS=0）时，由于一定的漏极电压UDS（大于夹断电压）引起的漏极电流D的饱和漏电流。它反映了原始沟道在零栅极电压下的导通能力，是耗尽型场效应晶体管的一个重要参数。

(4)低频跨导 (gm)

当漏极电压UDS处于规定值时，引起这种变化的漏极电流变化与栅极电压变化△UGS之比称为跨导，即：

gm的常用单位是mS（毫西门子）。gm是衡量场效应管的栅极电压对漏极电流的控制以及放大效应的强弱的参数。它类似于晶体管的交流放大系数β，与晶体管的工作面积有关。漏极电流/D越大，gm越大。

(5)漏源击穿电压 (BUDS)

这是指在栅极电压UGS恒定时，场效应管所能承受的最大漏极电压。它相当于普通晶体晶体管的集电极-发射极击穿电压V(BR)ceo（即BUceo）。这是一个极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。

(6)最大漏源电流 (DSM)

这是指场效应管正常工作时，漏极和源极之间允许的最大电流。相当于普通晶体三极管的工作电流。不应超过此限制参数。

(7)最大功耗 (PDSM)

这是指场效应管性能不劣化时允许的最大漏极功耗，相当于普通晶体管的Pcm。使用时，场效应管的实际功耗（PD=UDS×/D）应小于此限制参数，并留有一定余量。

三、场效应晶体管测试方法

1. JFET的引脚识别

场效应晶体管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应晶体管的发射极和集电极。将万用表设置为“R×1k”，用两根表笔测量 每两个引脚之间的正反向 电阻。当两个引脚的正反向电阻均为几千欧时，这两个引脚为漏极和源极（可互换），其余引脚为栅极。对于4脚结型场效应管，另一极为屏蔽极（使用时接地）。

2.门判断

将万用表的黑色表笔接到三极管的一个电极上，红色表笔分别接到另外两个电极上。如果两次测得的电阻值都很大，说明是反向电阻。所以它是一个N沟道场效应晶体管，黑色引线连接到栅极。

制造工艺决定了场效应管的源漏是对称的，可以互换使用 ，不影响电路的正常工作，所以不需要区分。源极和漏极之间的电阻约为几千欧姆。

请注意，此方法不能用于确定 MOSFET 的栅极。由于 MOSFET 的输入电阻极高，而栅极和源极之间的极间电容很小，所以测量时只要有少量电荷，就可以在极间电容上形成高电压，这很容易损坏晶体管。

3. 放大估计

将万用表设置为“R×100”，红色表笔接源极，黑色表笔接漏极，相当于给场效应管加了1.5V的电源电压。此时，指针指示漏极和源极之间的电阻值。

然后用手指捏住栅极，将人体感应电压作为输入信号加到栅极上。由于三极管的 放大作用 ，UDS和ID都会发生变化，这意味着漏极和源极之间的电阻也发生了变化，表笔摆动幅度很大。如果捏栅极时摆幅很小，说明晶体管的放大能力弱；如果引线不动，则表明晶体管已损坏。

由于人体感应到的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时工作点可能不同，用手捏闸门时手可能会左右摆动。当晶体管的 RDS 减小时，表笔向右摆动，如果 RDS 增加，表笔向左摆动。

无论手的摆动方向如何，只要有明确的摆动，就意味着晶体管可以放大。

这种方法也适用于测量MOS晶体管。为了保护MOS场效应管，需要握住绝缘手柄，用金属棒连接栅极，防止人体感应电荷直接加到栅极上，损坏晶体管。

每次测量MOS管后，GS结电容上会有少量电荷，电压UGS就会建立起来。然后，如果继续测试，表笔可能不动，将GS极之间的电路短路即可解决问题。

四、注意事项

1  、为安全使用场效应管，在电路设计中，不得超过功耗、最大漏源电压、最大栅源电压、最大电流等限制参数.

2 、使用各类场效应管时，必须严格按照 要求的偏压插入电路，并观察场效应管偏压的极性。例如结型场效应门的源漏之间有一个PN结，所以N沟道门不能正偏，P沟道门也不能负偏。

3  、由于MOS场效应管的输入阻抗极高， 在运输和储存过程中必须将引出引脚 短接。此外，应使用金属屏蔽封装，以防止外部感应电位破坏栅极。

特别是，最好将MOS场效应管存放在金属盒中，而不是塑料盒中。此外，还应注意晶体管的耐湿性。

4 、为防止场效应管栅极感应击穿，所有测试仪器、工作台、电烙铁、电路本身都必须良好接地，即：

(1)焊接引脚时，先焊接源极。

(2)在接入电路前，三极管的所有引线端保持相互短接，焊接后去除短接材料。

(3)当您从元件架上取下晶体管时，人体应适当接地 ，如使用接地环。

(4)如果使用先进的气热式电烙铁，焊接场效应管更方便，但要确保安全。

(5) 绝对不允许在未关闭电源的情况下将晶体管插入或拉入电路中。

5 、安装场效应管时，安装位置应尽量远离发热体。并且为了防止晶体管的振动，需要将晶体管外壳紧固。另外，我们弯曲引脚引线时，应高于根部5毫米，以防止损坏引脚并导致漏气。

6. 使用VMOS晶体管时，必须加合适的散热片。以VNF306为例，晶体管加装140×140×4（mm）散热器后，最大功率只能达到30W。

7  、多个晶体管并联后，由于极间电容和分布电容增大，放大器的高频特性变差，容易通过反馈引起高频寄生振荡。为此，并联的复合晶体管一般不超过四个，抗寄生振荡电阻应串联在每个晶体管的基极或栅极上。

8. 结型场效应管的栅源电压不能反转，可以开路存储。MOS场效应管在不使用时，由于其输入电阻很高，必须将每个电极短接，以防止晶体管被外电场损坏。

9  、焊接时，电烙铁外壳必须外接地线 ，防止电烙铁带电损坏三极管。对于少量的焊接，也可以将烙铁加热后拔掉插头或切断电源进行焊接。尤其是焊接MOS场效应管时，要按顺序焊接源漏栅，并切断电路。

10 、用25W电烙铁焊接时，操作要快。如果使用45到75W的电烙铁，用镊子夹住引脚根部，帮助散热。用万用表测试结型场效应管的好坏（如每个PN结的正反向电阻与漏源之间的电阻）。但是，不能用万用表检查MOS场效应管，而必须使用测试仪。并且每个电极的短路线只有在连接测试仪后才能拆除。拆除时，应先将短路部分拆除，再拆除，以免浮栅。

当输入阻抗较高时，必须采取防潮措施，防止场效应管的输入电阻因温度而降低。如果使用四引线场效应晶体管，则衬底引线应接地。陶瓷封装的晶体管是，所以它应该避光。

对于功率场效应管，必须有良好的散热条件。因为功率场效应管是在高负载条件下使用的，所以需要设计足够的散热器，保证外壳温度不超过额定值，使器件能够长时间稳定工作。

总之，要保证场效应管的安全使用，需要注意的事项是多种多样的，安全措施也是多种多样的。广大专业技术人员，特别是电子爱好者，应根据自己的实际情况，采取切实可行的措施，安全有效地使用场效应管。