初廣前 曹燕

摘? 要：模擬電子技術基礎是電氣類、自動化類、電子通信類專業(yè)的專業(yè)基礎課，在教學過程中，學生普遍反映場效應管這部分知識比較難學，根據多年的教學積累，筆者歸納總結了結型場效應管溝道類型和工作區(qū)域的判別規(guī)則。根據已給的開啟電壓或夾斷電壓，還有柵極、漏極和源極電壓，通過場效應管的轉移特性曲線和輸出特性曲線，即可得到判別結果。實踐證明，該判決規(guī)則行之有效，解決了學生學習中的難題。

關鍵詞：結型場效應管? 溝道類型? 工作區(qū)類型? 判別規(guī)則

中圖分類號：TN386????????????????????????? 文獻標識碼：A??????????????????? 文章編號：1672-3791（2021）01（a）-0059-04

Analysis on the Discrimination of the Channel Type and Working Area Type of the Junction Field Effect Transistor

CHU Guangqian1*? CAO Yan2

（1.Department of Signal and Control， School of Rail Traffic， Shandong Jiaotong University， Jinan， Shandong Province， 250357 China; 2.Shandong Baolihao Medical Equipment Co.， Ltd. Quality Department，????????? Jinan， Shandong Province， 262200 China）

Abstract： The Foundation of Analog Electronic Technology is a professional basic course for electrical， automation， and electronic communication majors. During the teaching process， students generally report that the knowledge of field effect transistors is difficult to learn. Based on years of teaching accumulation， the author summarizes the distinguish rules of the junction field effect transistor for channel type and working area type. According to the given turn-on voltage or pinch-off voltage， as well as the gate， drain and source voltages， through the transfer characteristic curve and output characteristic curve of the field effect transistor， the judgment result can be obtained. Practice has proved that the judgment rule is effective and it solves the problems in students' learning.

Key Words： Junction field effect transistor; Channel type; Working area type; Judgment rule

場效應管是利用輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。由于它僅靠半導體中的的多數載流子導電，又稱單極型晶體管。場效晶體管是一種較新型的半導體器件，其外形與雙極型晶體管相似，兩者的控制特性截然不同[1]。雙極型晶體管是電流控制器件，通過控制基極電流達到控制集電極電流或發(fā)射極性電流的目的，信號源必須提供一定的電流才能工作。它的輸入電阻較低。場效晶體管則是電壓控制器件，它的輸出電流決定于輸入端電壓的大小，基本上不需要信號源提供電流，輸入電阻很高，這是它的突出特點，另外，場效晶體管還具有其他優(yōu)點。場效應管不但具備雙極型晶體管體積小、重量輕、壽命長等優(yōu)點，而且輸入回路的內阻高，高達，噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強，且比雙極型晶體管耗電省。

場效應管分為結型和絕緣柵型兩種不同的結構，這里僅研究結型場效應管溝道類型和工作區(qū)域的判別。

1? 結型場效應管的結構及電路符號

結型場效應管的結構示意圖如圖1所示。在圖1（a）中，是在一塊N型半導體上制作兩個高摻雜的P區(qū)，并將它們連接在一起，所引出的電極稱為柵極g，N型半導體的兩端分別引出兩個電極，一個稱為漏極d，一個稱為源極s。P區(qū)與N區(qū)交界面形成耗盡層，漏極與源極間的非耗盡層稱為導電溝道[2]。這種結構稱為N溝道結型場效應管。按照類似的方法可以制成P溝道結型場效應管，如圖1（b）所示。

圖2是結型場效應管N溝道和P溝道電路符號圖，從圖2可以看出，箭頭流向場效應管是N溝道，箭頭流出場效應管是P溝道[3]。

2? 結型場效應管轉移特性曲線

圖3描述的是N溝道和P溝道結型場效應管轉移特性曲線。轉移特性曲線描述當漏-源電壓UDS為常量時，漏極電流iD與柵-源電壓uGS之間的函數關系[4]，即。

從圖3可以看出結型N溝道轉移特性曲線在第二象限，曲線與橫軸的交點在橫軸的負半軸，因此夾斷電壓小于零，即;結型P溝道轉移特性曲線在第四象限，曲線與橫軸的交點在橫軸的正半軸，因此夾斷電壓大于零[5]，即。

3? 結型場效應管輸出特性曲線

場效應管輸出特性曲線描述的是：當柵-源電壓uDS為常數時，漏極電流iD與漏-源電壓uDS之間的函數關系，即。對應于一個uGS，就有一條曲線，因此，輸出特性為一族曲線[6]。

圖4描述的是N溝道和P溝道結型場效應管輸出特性曲線，從圖4可以看出結型N溝道輸出特性曲線在第一象限，uDS>0;結型P溝道輸出特性曲線在第三象限，uDS<0。

4? 結型場效應管工作區(qū)（以N溝道結型場效應管為例）

從結型N溝道場效應管的輸出特性曲線可以看出，場效應管有3個工作區(qū)域和1個非工作區(qū)域擊穿區(qū)[7]。（1）可變電阻區(qū)（也稱非飽和區(qū)）：輸出特性曲線中靠近縱軸的虛線為予夾斷軌跡，它是各條曲線上預夾斷電壓點連接而成的平滑曲線。uGS越大，予夾斷時的uDS值也越大。予夾斷軌道的左邊區(qū)域為可變電阻區(qū)，該區(qū)域中的曲線近似為不同斜率的直線，當uGS確定時，直線的斜率也唯一地被確定。（2）恒流區(qū)（也稱飽和區(qū)）：輸出特性曲線中予夾斷軌跡右邊區(qū)域，擊穿區(qū)左邊的區(qū)域為恒流區(qū)，各曲線近似為一族橫軸的平行線。（3）夾斷區(qū)（也稱截止區(qū)）：當時，導電溝道被夾斷，即輸出特性曲線中靠近橫軸的部分，稱為夾斷區(qū)。（4）當uDS增大到一定程度時，漏極電流會驟然增大，管子將被擊穿，形成擊穿區(qū)。

5? 結型場效應管溝道類型和工作區(qū)域的判別

5.1 二結型場效應管工作在恒流區(qū)的必要條件

從結型場效應管的輸出特性曲線可以看出[8]：N溝道輸出特性曲線在第一象限，因此，uDS>0;P溝道輸出特性曲線在第三象限，因此，uDS<0。結型場效應管工作在恒流區(qū)的必要條件：N溝道，UGS<0和uDS>0;P溝道，UGS>0和uDS<0。

5.2 結型場效應管工作狀態(tài)的判別步驟

步驟1：觀察轉移特性曲線，根據夾斷電壓判斷溝道類型。如果夾斷電壓小于零，則為結型N溝道;如果夾斷電壓大于零，則為結型P溝道。

步驟2：觀察轉移特性曲線，判斷工作在截止區(qū)或非截至止區(qū)。計算UGS，對于N溝道，如果UGS小于夾斷電壓，則工作在截止區(qū)，如果UGS大于夾斷電壓，則工作在非截止區(qū);對于P溝道，如果UGS大于夾斷電壓，則工作在截止區(qū)，如果UGS小于夾斷電壓，則工作在非截止區(qū)。

步驟3：觀察輸出特性曲線，判斷工作在恒流區(qū)或可變電阻區(qū)。計算予夾斷電壓和uDS。對于N溝道，如果uDS大于予夾斷電壓，則工作在恒流區(qū)，否則工作在可變電阻區(qū);對于P溝道，如果uDS大于予夾斷電壓，則工作在可變電阻區(qū)，否則工作在恒流區(qū)。

步驟4：結論。

5.3 舉例

已知結型場效應管的電壓參數如下：T1：UGS（off）=3V，UG=3V，Us=3V，UD=-10V;T2：UGS（off）=-3V，UG=-1V，Us=3V，UD=10V。試判斷各結型場效應管的溝道類型和工作區(qū)類型[9]。

解：對于T1管：根據上面的判別規(guī)則步驟有：（1）T1管UGS（off）=3V，故T1管是結型P溝道;（2）又，所以T1管工作在非截止區(qū);③又予夾斷電壓，而，所以T1管工作在恒流區(qū);④結論：綜上所述，該結型場效應管是P溝道，工作在恒流區(qū)。

對于T2管：根據上面的判別規(guī)則步驟有：①T2管UGS（off）=-3V故T2管是結型N溝道;

②，所以T2管工作在截止區(qū);③ 結論：綜上所述，該結型場效應管是N溝道，工作在截止區(qū)。

6? 結語

模擬電子技術基礎課是電類專業(yè)學生一門非常重要的基礎課，它與電路、數字電子技術共同構成了硬件基礎模塊。學好模擬電子技術基礎課，對電子、通信類專業(yè)的學生是至關重要的。本文分析了結型場效應管溝道類型和工作區(qū)類型的判別，對這部分知識的學習起到畫龍點睛的作用。

參考文獻

[1]?康華光，電子技術基礎模擬部分[M]，第五版，北京，高等教育出版社。

[2]?童詩白， 華成英主編，模擬電子技術基礎[M]，第五版，北京，高等教育出版社。

[3]?田啟澤，C3N納米帶場效應管設計及性能分析，碩士論文，南京理工大學，2018.12。

[4]?顏宇，黑磷場效應管輸運特性及其對構建電路的影響，碩士論文，南京郵電大學，2019.4。

[5]?高宇，基于MoS2的1D/2D結型場效應晶體管的構筑和性能研究，碩士論文，華中科技大學，2019.5。

[6]?唐周全，基于隧穿場效應管器件的模擬電路設計與研究，碩士論文，電子科技大學，2020.6。

[7]?姜瑞瑞，基于隧道場效應管傳感的納米梁非線性振動控制研究，碩士論文，華中科技大學，2019.4。

[8]?曾榮周，鋁自氧化介質新型石墨烯場效應管制備及可關斷特性研究，博士論文，電子科技大學，2018.12.

[9]?吳婷，張建兵等編著，模擬電路答疑解惑與典型題解[M]， 第一版，北京，北京郵電大學出版社。