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结型场效应晶体管的基本工作原理

    结型场效应晶体管的开通和关断主要在于导电沟道的控制。改变栅结的偏压大小,即可改变这两个空间电荷区在沟道两侧的扩展程度,从而改变沟道的截面大小,也即改变沟道电阻的大小,漏极电流也会产生相应的变化。栅极采用电压控制,实现上述变化时栅极电流可以非常小。这些变化的极端,是栅结的反偏压足够大时,两个空间电荷区的内平面在沟道中部接合在一起,习惯上称此现象为导电沟道被夹断,这时源-漏间不再有导电沟道存在,此时结型场效应晶体管工作在截止状态,如图1所示。

    截止状态下的结型场效应晶体管

    图1  截止状态下的结型场效应晶体管

    简单地可以将结型场效应晶体管的导通看成与截止状态相反的情况,即当栅结的反偏压不够大、零偏置或者正偏置时,在栅结的空间电荷区产生了可以让电流通过的沟道,则结型场效应晶体管导通。而实际上,结型场效应晶体管的导通并不是这样简单,随着流经电流的大小增加,分为线性、过渡、饱和以及击穿4个阶段,主要是受沟道电流产生的压降影响。

    在结型场效应晶体管实际应用中,对栅结加反偏压是相对于源极的,即采用共源极接法,控制电源与主电源的公共端同源相接。由于重掺杂的栅区材料电导率很高,区内各点的电位基本相同,即视栅极为等电位区。然而沟道中的情况却不是这样。由于沟道材料为轻掺杂,其电阻率较高,当有电流在漏-源间流过时,其中必出现电位梯度,即压降。此时栅结上的偏置电压就不再均匀分布,栅结空间电荷区的宽度从漏到源不再相等。图2给出其中的3个阶段。

    结型场效应晶体管各段导通情况

    图2  结型场效应晶体管各段导通情况

    1)线性变化。当流经结型场效应晶体管的电流较小时,电流在沟道中产生的电位梯度很小,可以看作栅结空间电荷区形状受影响非常小,则沟道形状发生改变很小,如图2a所示。此时,可以认为沟道是一个固定阻值的电阻区,在沟道中载流子的漂移运动满足欧姆定律,其端电压UDS随漏极电流ID线性变化。

    2)过渡状态。随着漏极电流ID的增加,沟道中的压降增加,漏端电位就会明显高于源端电位。由于整个栅电极的电位都与源端相参照的,因而栅结的漏端相对于源端,处于明显的反偏增加状态。此时的栅结空间电荷区从源到漏逐渐展宽,沟道宽度相应地逐渐缩小,于是沟道电阻增大,如图2b所示。这种情况随着UDS的升高而越来越严重,ID对其线性值的偏离也越来越大,称之为过渡状态。

    3)饱和状态。在UDS电压高于过渡区的范围内时,沟道两侧的空间电荷区将随着UDS的升高从漏端开始闭合,并逐渐将闭合点向源端缓慢推进。空间电荷区的闭合使导电沟道在漏端被夹断。夹断的本质是导电沟道的一端变成载流子已被耗尽的空间电荷区,如图2c所示。此时,随者UDS的增加,ID不再增加,称之为饱和状态。值得注意的是,较高UDS同较高反偏UGS对导电沟道的夹断有本质的不同。较高反偏UGS的夹断是使整个导电沟道载流子耗尽,ID为零;较高UDS的夹断只是使导电沟道的漏端局部耗尽,电子仍可被其中的强电场扫过空间电荷区而进入漏极,因而ID不为零,相应地此电流称为饱和电流。

    4)击穿状态。导电沟道的漏端一旦变成空间电荷区,UDS的继续上升就主要降落在这个高阻区域,其中的电场将越来越强,会出现空间电荷区中载流子倍增的雪崩电离效应,只要UDS有微小的增加,都会引起ID的急剧上升,最终导致器件击穿。

    图3中给出了结型场效应晶体管的输出特性,在各UGS作用下的UDS和ID之间的关系,图中标示出导通中各个状态对应的所段,分别为线性区、过渡区、饱和区和击穿区。在实际应用中,结型场效应晶体管通常工作在饱和区。饱和区的起始电压(夹断电压)和终止电压(雪崩击穿电压)都会随着栅压UGS值的绝对值升高而降低。这是因为栅压反偏升高时沟道变薄,空间电荷区在漏端扩展的余地缩小。

    结型场效应晶体管的输出特性

    图3  结型场效应晶体管的输出特性

    以上分析的N沟道结型场效应晶体管是靠栅结的空间电荷区(即载流子耗尽区)夹断导电沟道,因而属耗尽型场效应器件,简称为N沟道耗尽型。此外,还有其他三种类型的结型场效应晶体管,P沟道耗尽型、N沟道增强型和P沟道增强型,其图形符号如图4所示。

    结型场效应晶体管不同类型符号

    图4  结型场效应晶体管不同类型符号

    耗尽型意味着器件为常通型,增强型意味着器件为常关型。对比来说,各型号结型场效应晶体管特性如下:

    1)N沟道耗尽型。N沟道耗尽型的导电沟道为N型,栅极区为P+层。当UGS=0时,已存在导电沟道,沟道电阻小,一旦在漏、源极之间加上电压,就有很大的电流流过沟道;只有当栅压为负,且高到一定程度时,漏极电流ID才截止。

    2)N沟道增强型。N沟道增强型与N沟道耗尽型的结构基本相同。但当UGS=0时,整个沟道已被栅结空间电荷所占满,全沟道夹断,沟道电阻大,因此即使在漏、源极之间加上电压,沟道电流场也接近于零(即N沟道增强型结型场效应晶体管为常关型器件)。只有当正栅压UGS正偏到一定程度时,漏极电流ID才开始显著增加。

    3)P沟道耗尽型。P沟道耗尽型导电沟道为P型火狐体育在线下载,栅极区为N+层。当UGS=0时,已存在导电沟道,沟道电阻小,一旦在漏、源极之间加上电压,就有很大的沟道电流场流过沟道;只有当栅压为正,且高到一定程度时,漏极电流ID才截止。

    4)P沟道增强型。P沟道增强型与P沟道耗尽型的结构基本相同。当UGS=0时,整个沟道已被栅结空间电荷所占满,全沟道夹断,沟道电阻大,因此沟道电流接近于零,只有当负栅压高到一定程度时,漏极电流ID才开始显著增加。

    以上讨论的都是长沟道结型场效应晶体管。长沟道结型场效应晶体管的沟道长度远大于沟道宽度,容易出现因漏极电压夹断沟道而使漏极电流饱和的现象。沟道的长度与宽度可相比拟甚至长度更小的结型场效应晶体管属于短沟道器件。对于电力电子变换器的应用,功率场效应晶体管一般为短沟道器件。

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