结型场效应晶体管

编者按：很多读者反映对场效应晶体管还不熟悉，也不懂它的工作原理，为此我们组织了两篇文章进行介绍，本文是第一篇。

场效应晶体管（简称场效应管或FET）是利用电场的效应来控制电流的，故以此命名。它是一种特殊的半导体器件，除了具有普通晶体管体积小、重量轻、功耗低的优点外，还有一些独特的优点，能进一步提高电路的某些性能。场效应管通常分为结型和MOS型两大类，本文先介绍结型场效应管。

结型场效应管内部结构如图1所示，硅片两侧是两个高掺杂的P\(^{+}\)型区，中间是低掺杂的N型区。在N型区上下两端各引出一个电极，上端的电极称为“漏极”（D），电子可从这里流出；下端的电极称为“源极”（S），表示电子从这里发源。两个P+型区相连后也引出一个电极，起着控制电流的作用，称为“栅极”（G）。N型区的中央部分将有电流通过，称为“沟道”。如果和普通晶体管相比，则源极相当于发射极，栅极相当于基极，漏极相当于集电极。

从结构图上可以看出，两个P\(^{+}\)区分别和N区形成两个PN结，也就是图中阴影部分所表示的耗尽区。由于在漏极和源极之间加上一定数值的正电压V\(_{DS}\)，所以形成了由漏极流向源极的电流ID。当栅、源极之间加上负电压V\(_{GS}\)时，两个PN结都处于反向电压作用下，形成的耗尽区要变宽（因N区掺杂浓度低，耗尽区主要向N区扩展）。当VGS增加（负值增加）时，两边的耗尽区将向中央延伸，漏极和源极之间呈现的电阻增大，漏极电流I\(_{D}\)减小。反之，当VGS减小（负值减小）时，漏极电流I\(_{D}\)将增加。

如果栅极加一固定电压（如V\(_{GS}\)=－1V），VDS从零逐渐增大时，电流I\(_{D}\)也会增大。这个区域称为可变电阻区。VDS继续增大时，I\(_{D}\)增大变慢，最后ID基本上维持恒定，电流达到饱和。这是因为V\(_{DS}\)增大以后，栅漏反向PN结附近的耗尽层加宽，以致使漏极附近的沟道横向靠拢。随VDS继续增加，耗尽区的靠拢部分逐渐向源极延伸，这时漏极电流决定于栅压等其他因素而基本上与V\(_{DS}\)无关。这个区域又称为饱和区。场效应管作放大用时，一般都工作在这个区域。

如果在栅极回路中接上信号电压，并选适当的V\(_{DS}\)使场效应管工作在饱和区，这样信号电压变化时漏极电流ID也相应的变化。如果这个变化的电流通过适当的负载电阻，便在负载上得到放大了的信号电压。这也就是结型场效应管的基本工作原理。

1．场效应晶体管的输入阻抗较高。通常把输入信号接在场效应管的栅、源极间，而跨接在这两个极间的PN结处于反向偏置，故场效应管的输入阻抗较高（10\(^{7}\)Ω以上）。用它构成的放大器也有较高的输入阻抗，便于和陶瓷拾音器、高阻话筒等相配接。而普通晶体管在工作时发射结处于正向偏置，故输入阻抗较低（作共集连接时虽可提高输入阻抗但无电压增益），在一些使用场合中不及场效应管。

2．场效应管是一种电压控制器件。由于场效应管的栅、源极间在工作时始终处于反向偏置，所以基本上没有栅极电流，这说明它是电压控制器件，只要在输入端给以电压的变化就能控制输出电流的变化。就是说，输入端基本上不取电流，这样便减轻了对前级信号源的影响。而晶体管则不然，它的集电极电流是受基极电流控制的，只有出现I\(_{b}\)才能出现Ic（不计I\(_{CEO}\)），只有Ib变化才能引起I\(_{c}\)变化。即在工作中必然要消耗前级信号源的功率，这显然是无益的。

3．场效应管的热稳定性好、抗辐射能力强。普通晶体管在工作过程中同时利用多数和少数两种载流子，而少数载流子的多少易受温度、外界辐射等因素的影响，故这种管子的温度稳定性差、抵御辐射的能力弱。而场效应管只利用多数载流子导电，多数载流子不易受上述因素影响，所以这种管子较稳定，可以在环境条件剧烈变化的情况下工作。

4．场效应管的噪声系数比较小。场效应管是一种低噪声器件，用它做成的低频放大器，当无信号输入时基本上听不到仪器本身的噪声，很适合使用于低噪声高保真度的电子设备中。

此外，场效应管还有动态范围大、电路设计灵活等优点，是一种比较理想的半导体器件。

在图1所示的场效应管中，其沟道材料是N型半导体，称为N沟道场效应管，在电路中的符号如图2a所示。此外，也可以用P型半导体作沟道材料，构成P沟道场效应管（符号如图2b）。它的工作原理与N沟道型的相似，只是电源的极性要反过来。

按照栅极的数目不同，场效应管又分为单栅和双栅两种。双栅结型场效应管就是从管内的两个P\(^{+}\)区分别引出电极，成为栅极1（G\(_{1}\)）和栅极2（G2），这就构成了四极结型场效应管，其符号如图2c所示。这样使用者可根据需要，让信号从G\(_{1}\)或G2灵活输入。

根据位数不同，又分为单管和对管，对管是把两个性能完全相同的管子制作在同一硅片上，并使二者的电性能保持独立（图2d）。这样构成的两只管子其参数基本上对称，很适合用于差分电路中。

从封装型式上看，场效应管可分为金属封装、塑料封装和陶瓷环氧封装三种，它们的外形和管脚排列如图3所示。

部颁场效应管的型号命名分为三部分：前面的汉语拼音字母表示器件的类型，中间的阿拉伯数字表示序号，后面的字母表示规格号。例如，CS38G中的CS表示场效应管，38是序号，G是规格号。旧型号的命名方法通常分五部分，它们分别表示电极数目、沟道型式、管子类别（结型或绝缘栅型）、序号及电流档数。如3DJ3B表示有三个电极的N沟道结型场效应管。

表一列出了几种结型场效应管的主要性能特点和封装型式，供使用者选用。

图4a是基本的场效应管放大电路。图中E\(_{G}\)是给栅极提供的电源，可保证栅极对源极始终处于负电位，不会出现栅极电流。电源ED通过负载电阻R\(_{D}\)加在漏源极之间。当输入信号Vi变化时，漏极电流I\(_{D}\)也变化，使RD上的电压降跟着变化。这个变化的电压比输入信号大得多，作为放大器的输出电压加给后面的负载。

图4a的连接方式需要两组电源，使用中很不方便。实际的电路常采用图4b的接法，把电源E\(_{G}\)省去。这是因为静态时该电路的栅极对地的电压VG≈0（几乎没有电流通过R\(_{G}\)），而源极对地电压为VS=I\(_{S}\)RS，于是V\(_{GS}\)=VG-V\(_{S}\)=－ISR\(_{S}\)。这个电压恰好可以代替图4a中的EG，称为自给偏压。C\(_{S}\)是旁路电容，其作用和晶体管电路中的发射极旁路电容相同。

可以看出，图4b的电路对静态工作点有一定的稳定作用。例如，当源极电流I\(_{S}\)受温度影响增加时，VS也增加，使V\(_{GS}\)更负一些，于是牵制了IS的增加。如果R\(_{S}\)之值取得大一些，则稳定作用更好。但这样容易造成失真，甚至使管子截止。为解决这个矛盾，有时采用图4c的电路。其特点是栅极对地的静态电压由R1、R\(_{2}\)分压取得，故栅极对地是正电压。这样即使RS之值取得大一些，源极对地的电压稍高一些也不致于使V\(_{GS}\)太负，一般不会产生失真。

从图4c的电路中看到，R\(_{1}\)和R2都并联在输入端（R\(_{1}\)上端交流接地），势必要降低放大器的输入阻抗。当要求有较高的输入阻抗时，常采用图4d的电路。图中，R1和R\(_{2}\)的连接点通过大电阻RG和栅极相接，这样并联在输入端的电阻成为R\(_{G}\)＋（R1／R\(_{2}\)）。因RG的阻值较大，故电路的输入阻抗较高。

上面分析的几种电路是把场效应管的源极作为输入、输出回路的公共端，称为共源放大电路。这种连接方式所呈现的输入电容较大，在高频运用情况下输入阻抗显著下降，此时常采用图4e的电路。它是把输出信号从源极引出，叫做源极输出器（共漏电路）。其性能和射极输出器很相似，有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，电压放大倍数近于1。因电路具备这样的特点，在低频时也常用来作阻抗变换。

由于场效应管有一些独特优点，在放大、开关电路和阻抗变换中得到广泛应用。下面分析几个实例：

图5是微型心率发射机输入级的部分电路。图中第二级是普通晶体管放大电路，第一级是源极跟随器（采用图4e的形式），本级虽无电压增益，但因其输入阻抗较高，在输入端可以获得较高的信号电压，对整机增益是大有贡献的。这种电路可以放大1mV左右的脉动心电信号，若输入级用普通晶体管，很难实现这样的指标。另外，在示波器中也常用源极跟随器作输入级，以减小对被测电路的影响。

前面谈到，场效应管的基本原理是栅极电压控制漏极电流，实质上是控制沟道电阻的大小。利用这种特性，可把场效应管和中放管发射极的旁路电容相串联（图6），将AGC电压加到场效应管的栅极，自动控制着沟道电阻的大小，从而改变着本级的负反馈量，实现对收音机的自动增益控制。

图7是某数字电压表中模拟开关的部分电路。被测模拟电压从A点输入，经过场效应管BG\(_{1}\)加至积分器。控制信号从E点加入，它对被测电压能否通过BG1起着控制作用。当E点处于低电位时（低于被测的模拟电压），D\(_{1}\)导通，有电流从A点经R1、D\(_{1}\)流往E，在R1上产生电压降，使栅极对源极的电压很负，BG\(_{1}\)截止，被测信号通不过BG1。当E点处于高电位时，D\(_{1}\)截止，无电流通过R1，故V\(_{GS}\)=0，此时BG1导通，D、S间呈现的电阻很小，被测电压可以通过BG\(_{1}\)加至积分器。

1．管脚判别和质量粗测。场效应管的管脚可从图3中识别，也可用万用表测量管脚间的电阻加以判断。测量时总可找到一个电极，当红表棒接它时，对另外两个电极的电阻为无限大；当黑表棒接它时，对另外两个电极呈低电阻（5～10KΩ）。则找到的这个电极是栅极，并且知道测的是N沟道场效应管，基本上能够使用。至于另外的两个电极，因结型场效应管的漏极和源极在结构上基本对称，可以互换使用。

2．调整好偏置电压。用场效应管焊接的放大器，需要设置适当的栅极负偏压。通常是调整源极电阻R\(_{S}\)之值，使静态时的VGS约为管子夹断电压V\(_{P}\)的一半，电路便可正常工作。

3．场效应管的选用。使用时实际的功耗必须小于管子的最大耗散功率P\(_{DM}\)，栅、源极间的最大反向电压必须小于栅源击穿电压BVGS。当输入信号较大时，应选择饱和漏电流（I\(_{DSS}\)）和夹断电压（VP）较大的管子，充分利用其大的动态范围；当输入信号较小时，应选I\(_{DSS}\)和VP较小的管子，以减小功耗。在作开关使用时，还应使管子的开关参数满足要求。

在焊接时要防止电烙铁漏电，那样易损坏管子。（姚昆瑶 毛松亭 林萌森）