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三极管是固体半导体技术的开端，但我们最经常使用的是场效应管，它的出现是电子技术的一次非常大的技术变革，它消耗的功率较小，发热量较小
绝缘栅型场效应管(MOSFET)
1 增强型MOS管
以下以N沟道增强型MOS管为例讲解其工作原理，P沟道与其原理相同
1.1 结构与符号
1.1.1 结构
- 衬底：一个P型的，掺杂浓度比较低的相对较大的半导体，接出了一个电极$\to$B，在上面扩散了两个N型区，接出电极$\to$源极s和电极$\to$漏极d
- PN结：两个N型区和衬底分别形成了PN结
- $SiO_{2}$绝缘层：特别薄的二氧化硅的绝缘层，接出一个电极$\to$栅极g，因此这种场效应管被称作绝缘栅型场效应管
1.1.2 符号
符号中电极B与源极s和漏极d中间的一条虚线表示沟道，并且表示这是增强型MOS管，其沟道天生是关闭的，电极B与沟道之间的箭头表示PN结的方向
1.2 工作原理
前情提要：MOS管生产时一般会把源极和衬底接在一起，引出三个引脚，如果没接在一起，引出了四个引脚，则此时源极和漏极可以互换，一般我们习惯称与衬底相接的电极为源极
- 如果源极和漏极之间不加电压，即$u_{DS}=0$，在栅极和源极之间加一个电压$u_{GS}$，
- 如图所示，此时栅极带正电，衬底带负电，电场方向向下，两者之间的空穴在电场力的作用下向下运动，使得中间出现了一个几乎没有载流子的耗尽层
- 继续施加电场，如右图，此时电场会把衬底中的少子自由电子吸上去，形成了一个沟道反型层，此时沟道里的多子是自由电子，带负电，所以这种沟道叫做N沟道，此时若$u_{GS}$不变，则沟道的宽窄也不变，即此时沟道的电阻$R_{ds}$不变(相当于一个可以用电压控制的可变电阻器)；定义沟道的开启电压$U_{GS(th)}$，当$u_{GS}>U_{GS(th)}$时沟道开启，反之关闭
- 如果$u_{GS}>U_{GS(th)}$且$u_{GS}$不变，在源极和漏极间加一个电压$u_{DS}$
- 一开始加电压，沟道表现为一个普通的电阻$R_{ds}$，源极和栅极间的电流$i_{D}$呈线性升高
- 继续加电压，由于$u_{DS}$的存在，源极的电位比漏极低，所以由于电场力的作用，如图(a)，漏极附近的沟道会变得越来越窄，但是在没有完全封闭之前，其电阻还是保持不变
- 当上下两点电压差$u_{GS}-u_{DS}=U_{GS(th)}$时，如图(b)，出现了预夹断，但并不会真的夹断，因为存在动态平衡，只要没电流了，电场又会把它打开
- 继续加大$u_{DS}$，预夹断的缝隙变长，此时$R_{ds}$随着缝隙的变长而变大，并且我们此时发现，$i_{D}$几乎不变
于是我们获得了MOS管的三个工作区
- 截止区：$u_{GS}<U_{GS(th)}$，MOS管截止，没有电流
- 可变电阻区：如果$u_{GS}>U_{GS(th)}$，且没有出现预夹断，此时沟道的电阻只与$u_{GS}$有关，可以用于制作电压控制的可变电阻，其中：
$$i_{D}=K_{n}[2(v_{GS}-V_{T})v_{DS}-v_{DS}^2]$$
$$K_{n}=\frac{W\mu_{n}C_{ox}}{2L}$$
其中$K_{n}$为电导常数，单位为$\frac{mA}{V^2}$，$\mu$是反型层中电子的迁移率，可以认为代表反型层中电子的活跃程度； $C_{ox}$为栅极氧化层单位面积电容，$\frac{W}{L}$为沟道的宽长比 - 恒流区(饱和区)：如果$u_{GS}>U_{GS(th)}$且$u_{GS}$不变，并且已经出现预夹断，此时栅极和源极之间的电压$u_{GS}$可以控制输出电流$i_{D}$，这个特性可以用于放大，其中$$i_{D}=K_{n}(v_{GS}-V_{T})^2=K_{n}V_{T}^2\left( \frac{v_{GS}}{V_{T}}-1\right)^2=I_{D0}\left( \frac{v_{GS}}{V_{T}}-1 \right)^2$$
于是我们获得了绝缘栅型N沟道增强型场效应管，其中增强的意思是，需要一个$u_{GS}>U_{GS(th)}$的增强过程，MOS管才能导通
1.3 特性
- 截止区：$u_{GS}<U_{GS(th)}$，$i_{D}=0$
- 可变电阻区：$u_{GS}>U_{GS(th)},v_{DS} \le v_{GS}-V_{T}$
$$i_{D}=K_{n}[2(v_{GS}-V_{T})v_{DS}-v_{DS}^2]$$
$$K_{n}=\frac{W\mu_{n}C_{ox}}{2L}$$
其中$K_{n}$为电导常数，单位为$\frac{mA}{V^2}$，$\mu$是反型层中电子的迁移率，可以认为代表反型层中电子的活跃程度； $C_{ox}$为栅极氧化层单位面积电容，$\frac{W}{L}$为沟道的宽长比 - 恒流区(饱和区)：$u_{GS}>U_{GS(th)},V_{DS} \ge v_{GS}-V_{T}$$$i_{D}=K_{n}(v_{GS}-V_{T})^2=K_{n}V_{T}^2\left( \frac{v_{GS}}{V_{T}}-1\right)^2=I_{D0}\left( \frac{v_{GS}}{V_{T}}-1 \right)^2$$
由于在饱和区，电流基本不受$v_{DS}$的影响，所以可以用一条转移特性曲线代表整个饱和区
2 N沟道耗尽型MOS管
在二氧化硅里面固定了一些正电荷，让它天生带有正电，即沟道天生就存在
存在一个电压$U_{GS(Off)}$，当$u_{GS}>U_{GS(Off)}$时，沟道一直处于开通状态，反之截止，其他的用法和增强型类似
结型场效应管(JFET)
1 结构与符号
1.1 结构
以N型JFRT为例，在一块N型半导体材料两边扩散高浓度的P型区，形成两个PN结，两边P型区引出两个电极并连在一起称为栅极g，在N型半导体材料的两端各引出一个电极，构成源极s和漏极d，两个PN结中间的N型区域就是导电沟道
1.1.1 符号
箭头方向表示栅极与沟道间PN结正向偏置方向
2 工作原理
JFET工作原理与耗尽型MOS管类似，它天生就是导通的，下面以N沟道JFET为例，分析JFET的工作原理
2.1 $V_{GS}$对导电沟道和$i_{D}$的控制作用
先假设$v_{DS}=0$，当$v_{GS}$从0逐渐增大时，如图所示，因为反偏电压$v_{GS}$作用下，PN结反偏，两个PN结的耗尽层将加宽，使导电沟道变窄，沟道电阻变大，当栅源电压小于阈值电压(夹断电压)($v_{GS}<V_{TN}$)时，两侧耗尽层合拢，沟道全部被夹断，此时沟道小时，漏源极间的电阻趋于无穷大，即使此时$v_{DS} \neq 0$，也无漏极电流
$\therefore$ 结型晶体管与耗尽型的MOS管的可变电阻区此时效果类似
2.2 $V_{DS}$对$i_{D}$的影响
如图所示，此处与MOS管在恒流区的工作原理和效果也类似
2.3 结型场效应管与耗尽型MOS管的区别
- 缺点：
- 输入电阻没有绝缘栅型高
- $u_{GS}$不能大于0(N沟道，P沟道相反)
- 有点漏电流
- 优点：
- 相比绝缘栅型，JFET不容易坏，MOS管因为其$SiO_{2}$绝缘层太薄，容易被击穿，比较娇贵
3 特性与参数
3.1 N沟道特性
- 相比绝缘栅型，JFET不容易坏，MOS管因为其$SiO_{2}$绝缘层太薄，容易被击穿，比较娇贵
3.1.1 输出特性
3.1.2 转移特性
转移特性的经验公式：
$$i_{D}=K_{n}(v_{GS}-V_{P})^2=I_{DSS}\left( 1-\frac{v_{GS}}{V_{P}} \right)^2$$
3.2 P沟道特性
3.2.1 输出特性
3.2.2 转移特性
3.3 参数
3.3.1 直流参数
-
夹断电压$V_{P}$：当栅源电压$v_{GS}=V_{P}$时，$i_{D}$=0
-
饱和漏极电流$I_{DSS}(I_{D0})$：$I_{DSS}$指的是对应$v_{GS}=0$时的漏极电流。
-
直流输入电阻$R_{GS}$：$R_{GS}$在$10^6\approx10^9\Omega$之间，通常认为$R_{GS}\to \infty$。
3.3.2 极限参数
-
最大漏源电压：$V_{(BR)DS}$
-
最大栅源电压：$V_{(BR)GS}$
-
最大功耗$P_{DM}$：$P_{DM}=I_D\cdot V_{DS}$
3.3.3 交流参数
-
跨导$g_{m}$：$$g_{m}=\frac{d_{i_{D}}}{d_{v_{GS}}}|_{v_{DS}=C}$$
$g_{m}$的大小可以反映栅源电压$v_{GS}$对漏极电流$i_{D}$的控制能力的强弱，可以从转移特性或输出特性中求得，也可以用公式计算出来。 -
输出电阻$r_{ds}$：$$r_{ds}=\frac{d_{v_{DS}}}{d_{i_{D}}}|_{v_{GSQ}}$$
3.4 温度稳定性
结型场效应管导电机理为多数载流子导电，热稳定性较晶体三极管好。而且场效应管还存在一个零温度系数点，在这一点工作，温度稳定性会更好