FET的工作原理.docx

J-FET：
结构：N沟道JFET的结构剖面图

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，也需要外加如图1所示的偏置电压，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108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对漏极电流iD（或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。
1．vGS对沟道电阻及iD的控制作用

(a)vGS=0的情况(b)VP<vGS<0的情况

vGS≤VP
2．vDS对iD的影响

(a)vDS<vGS-VP的情况(b)vDS=vGS-VP的情况
(c)vDS>vGS-VP的情况
VP的含义：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。

MESFET：
MESFET的工作原理与JFET基本相同,但是有两点差异:
a）在短沟道(0.5~2μm)GaAs-MESFET中,速度饱和模型能较好地描述I-V特性(虽然饱和机理是由于谷间跃迁而引起的速度饱和，但与Si和SiC等的MESFET相同，都将产生偶极畴并使电流饱和)；
b）对于栅长<0.5μm的GaAs-MESFET,由于GaAs中电子的能量弛豫时间>>动量弛豫时间，则电子的输运将是瞬态的,有明显的速度过冲效应(对短沟道Si器件,无明显的速度过冲)。
MOSFET：
结构图：

图3

图4
工作原理：要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图③所示（上面↑）。
若先不接VGS(即VGS=0)，在D与S极之间加一正电压VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷(如图3)。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压)，用符号VT表示(一般规定在ID=10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系，（如图④所示）。此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改变VGS来控制漏源之间的电阻，达到控制ID的作用。
由于这种结构在VGS=0时，ID=0，称这种MOSFET为增强型。另一类MOSFET，在VGS=0时也有一定的ID(称为IDSS)，这种MOSFET称为耗尽型。它的结构（如图⑤所示），它的转移特性如图6所示。VP为夹断电压(ID=0)。
耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道，所以在VGS=0时，有VDS作用时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(可以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变ID的大小。VP为ID=0时的-VGS，称为夹断电压