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2025-09-29
场效应晶体管工作原理及特性分析
【摘要】：当栅-源电压UGS下降到某一数值UP时，N型导电沟道完全消失，场效应晶体管失去导电能力。当栅-源电压和漏-源电压之差等于某一数值时，场效应晶体管将处于截止状态，此时的栅-源电压称为夹断电压。场效应晶体管的输出特性曲线可以分成四个区域，它们分别对应四种工作状态，即可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。
1.基本结构和图形符号
结型场效应晶体管有两种结构形式，即N型沟道（自由电子导电）结型场效应晶体管和P型沟道（空穴导电）结型场效应晶体管。每种结构形式都具有栅极、漏极和源极三个电极。以N沟道为例，它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P区，形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连接在一起作为一个电极，称为栅极（G），在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极（S）和漏极（D），如图1-30所示。图中栅极箭头所示方向为两个PN结的正向导电方向。
图1-30 场效应晶体管的结构和电路符号
2.工作原理
这里依然以N型沟道结型场效应晶体管为例，由于PN结中的载流子已经耗尽，也就是说PN结基本上不导电并形成耗尽区，场效应晶体管只能依靠N型沟道中的自由电子导电。
如图1-31所示，在漏极与源极两端施加负值电压UGS，使两个PN结均处于反偏状态，由于两个PN结交界面所形成的耗尽区均变厚，导致N型导电沟道变窄，于是场效应晶体管的导电能力就相应下降。当栅-源电压UGS下降到某一数值UP时，N型导电沟道完全消失，场效应晶体管失去导电能力。此时的栅-源电压值UP称为夹断电压。
图1-31 N型沟道场效应晶体管的工作原理
3.基本特性
如图1-32所示，N型沟道场效应晶体管接成两个回路，即漏极回路和栅极回路，源极是两回路的公共端。对于两个PN结来说，它们两端所施加的栅-源电压UGS和漏-源电压UDS均为反向偏压。
（1）输出特性 在栅-源电压UGS一定的条件下，漏极电流ID和漏-源电压UDS之间的关系曲线称为输出特性，如图1-33所示。
图1-32 N型沟道场效应晶体管特性测试电路
图1-33 N型沟道场效应晶体管输出特性
当栅-源电压UGS=0时，N型沟道最宽，导电能力相对较强，漏极电流也相对较大。在漏-源电压UDS由0逐渐增大的过程中，短期内漏极电流ID会迅速增加，但由于导电沟道逐渐变窄，漏极电流ID会逐渐趋于稳定并达到饱和状态。如果漏-源电压UDS继续增加，则场效应晶体管也会发生击穿现象，这种击穿现象叫做雪崩击穿。
在栅-源电压UGS取不同数值的条件下，可以得到不同的输出特性曲线。而且，随着栅-源电压UGS绝对值的增加，漏极电流会逐渐减小。当栅-源电压和漏-源电压之差（UGS-UDS）等于某一数值时，场效应晶体管将处于截止状态，此时的栅-源电压称为夹断电压。(https://www.chuimin.cn)
场效应晶体管的输出特性曲线可以分成四个区域，它们分别对应四种工作状态，即可变电阻区、恒流区、击穿区和截止区。
1）可变电阻区。由于此区域UDS较小，对沟道影响不大，ID与UDS基本呈线性关系，此时漏极与源极间可以看作是一个受UGS控制的可变电阻，因而称为可变电阻区。此区域管子可作为压控电阻使用。
2）恒流区。此区域ID基本不再随UDS的变化而变化，即ID趋于饱和，所以又称为饱和区。此区域管子作为线性放大器件工作在饱和区。
3）击穿区。当PN结上的反向偏压UGD增大到使PN结击穿时，ID急剧上升，曲线进入击穿区。管子击穿后就不能继续使用。
4）截止区。在此区域ID≈0，处于横坐标附近，图中没有标出。
（2）转移特性 在漏-源电压UDS一定的条件下，漏极电流ID和栅-源电压UGS之间的关系曲线称为转移特性，如图1-34所示。
图1-34 N型沟道场效应晶体管转移特性
4.主要参数
（1）夹断电压UP 当栅-源电压为某一数值而漏极电流等于一微小电流时，栅极与源极间所加的电压称为夹断电压，用UP表示。
（2）饱和漏极电流IDSS 在栅-源电压为零的条件下，场效应晶体管发生预夹断时的漏极电流称为饱和漏极电流，用IDSS表示。
（3）直流输入电阻RGS 在漏极与源极短路的条件下，栅极与源极间加一定电压时，栅极与源极间的直流电阻称为直流输入电阻，用RGS表示。
（4）低频跨导gm 当漏-源电压为常数时，漏极电流的微小变化量与漏-源电压的微小变化量之比称为低频跨导，用gm表示。
（5）输出电阻rd 当栅-源电压为常数时，漏-源电压的微小变化量与漏极电流的微小变化量之比称为输出电阻，用rd表示。
（6）最大漏-源电压U（BR）DS 当场效应晶体管沟道发生雪崩击穿引起漏极电流急剧上升的漏-源电压称为最大漏-源电压，用U（BR）DS表示。
（7）最大栅-源电压U（BR）GS 当栅极与源极间的PN结发生反向击穿引起栅极电流由零急剧上升的栅-源电压称为最大栅-源电压，用U（BR）GS表示。
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