浅析结型场效应管沟道类型和工作区类型的判别规则

初广前 曹燕

摘  要：模拟电子技术基础是电气类、自动化类、电子通信类专业的专业基础课，在教学过程中，学生普遍反映场效应管这部分知识比较难学，根据多年的教学积累，笔者归纳总结了结型场效应管沟道类型和工作区域的判别规则。根据已给的开启电压或夹断电压，还有栅极、漏极和源极电压，通过场效应管的转移特性曲线和输出特性曲线，即可得到判别结果。实践证明，该判决规则行之有效，解决了学生学习中的难题。

关键词：结型场效应管  沟道类型  工作区类型  判别规则

中图分类号：TN386                          文献标识码：A                    文章编号：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

場效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效晶体管是一种较新型的半导体器件，其外形与双极型晶体管相似，两者的控制特性截然不同[1]。双极型晶体管是电流控制器件，通过控制基极电流达到控制集电极电流或发射极性电流的目的，信号源必须提供一定的电流才能工作。它的输入电阻较低。场效晶体管则是电压控制器件，它的输出电流决定于输入端电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，输入电阻很高，这是它的突出特点，另外，场效晶体管还具有其他优点。场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点，而且输入回路的内阻高，高达，噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强，且比双极型晶体管耗电省。

场效应管分为结型和绝缘栅型两种不同的结构，这里仅研究结型场效应管沟道类型和工作区域的判别。

1  结型场效应管的结构及电路符号

结型场效应管的结构示意图如图1所示。在图1（a）中，是在一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区，并将它们连接在一起，所引出的电极称为栅极g，N型半导体的两端分别引出两个电极，一个称为漏极d，一个称为源极s。P区与N区交界面形成耗尽层，漏极与源极间的非耗尽层称为导电沟道[2]。这种结构称为N沟道结型场效应管。按照类似的方法可以制成P沟道结型场效应管，如图1（b）所示。

图2是结型场效应管N沟道和P沟道电路符号图，从图2可以看出，箭头流向场效应管是N沟道，箭头流出场效应管是P沟道[3]。

2  结型场效应管转移特性曲线

图3描述的是N沟道和P沟道结型场效应管转移特性曲线。转移特性曲线描述当漏-源电压UDS为常量时，漏极电流iD与栅-源电压uGS之间的函数关系[4]，即。

从图3可以看出结型N沟道转移特性曲线在第二象限，曲线与横轴的交点在横轴的负半轴，因此夹断电压小于零，即;结型P沟道转移特性曲线在第四象限，曲线与横轴的交点在横轴的正半轴，因此夹断电压大于零[5]，即。

3  结型场效应管输出特性曲线

场效应管输出特性曲线描述的是：当栅-源电压uDS为常数时，漏极电流iD与漏-源电压uDS之间的函数关系，即。对应于一个uGS，就有一条曲线，因此，输出特性为一族曲线[6]。

图4描述的是N沟道和P沟道结型场效应管输出特性曲线，从图4可以看出结型N沟道输出特性曲线在第一象限，uDS>0;结型P沟道输出特性曲线在第三象限，uDS<0。

4  结型场效应管工作区（以N沟道结型场效应管为例）

从结型N沟道场效应管的输出特性曲线可以看出，场效应管有3个工作区域和1个非工作区域击穿区[7]。（1）可变电阻区（也称非饱和区）：输出特性曲线中靠近纵轴的虚线为予夹断轨迹，它是各条曲线上预夹断电压点连接而成的平滑曲线。uGS越大，予夹断时的uDS值也越大。予夹断轨道的左边区域为可变电阻区，该区域中的曲线近似为不同斜率的直线，当uGS确定时，直线的斜率也唯一地被确定。（2）恒流区（也称饱和区）：输出特性曲线中予夹断轨迹右边区域，击穿区左边的区域为恒流区，各曲线近似为一族横轴的平行线。（3）夹断区（也称截止区）：当时，导电沟道被夹断，即输出特性曲线中靠近横轴的部分，称为夹断区。（4）当uDS增大到一定程度时，漏极电流会骤然增大，管子将被击穿，形成击穿区。

5  结型场效应管沟道类型和工作区域的判别

5.1 二结型场效应管工作在恒流区的必要条件

从结型场效应管的输出特性曲线可以看出[8]：N沟道输出特性曲线在第一象限，因此，uDS>0;P沟道输出特性曲线在第三象限，因此，uDS<0。结型场效应管工作在恒流区的必要条件：N沟道，UGS<0和uDS>0;P沟道，UGS>0和uDS<0。

5.2 结型场效应管工作状态的判别步骤

步骤1：观察转移特性曲线，根据夹断电压判断沟道类型。如果夹断电压小于零，则为结型N沟道;如果夹断电压大于零，则为结型P沟道。

步骤2：观察转移特性曲线，判断工作在截止区或非截至止区。计算UGS，对于N沟道，如果UGS小于夹断电压，则工作在截止区，如果UGS大于夹断电压，则工作在非截止区;对于P沟道，如果UGS大于夹断电压，则工作在截止区，如果UGS小于夹断电压，则工作在非截止区。

步骤3：观察输出特性曲线，判断工作在恒流区或可变电阻区。计算予夹断电压和uDS。对于N沟道，如果uDS大于予夹断电压，则工作在恒流区，否则工作在可变电阻区;对于P沟道，如果uDS大于予夹断电压，则工作在可变电阻区，否则工作在恒流区。

步骤4：结论。

5.3 举例

已知结型场效应管的电压参数如下：T1：UGS（off）=3V，UG=3V，Us=3V，UD=-10V;T2：UGS（off）=-3V，UG=-1V，Us=3V，UD=10V。试判断各结型场效应管的沟道类型和工作区类型[9]。

解：对于T1管：根据上面的判别规则步骤有：（1）T1管UGS（off）=3V，故T1管是结型P沟道;（2）又，所以T1管工作在非截止区;③又予夹断电压，而，所以T1管工作在恒流区;④结论：综上所述，该结型场效应管是P沟道，工作在恒流区。

对于T2管：根据上面的判别规则步骤有：①T2管UGS（off）=-3V故T2管是结型N沟道;

②，所以T2管工作在截止区;③ 结论：综上所述，该结型场效应管是N沟道，工作在截止区。

6  结语

模拟电子技术基础课是电类专业学生一门非常重要的基础课，它与电路、数字电子技术共同构成了硬件基础模块。学好模拟电子技术基础课，对电子、通信类专业的学生是至关重要的。本文分析了结型场效应管沟道类型和工作区类型的判别，对这部分知识的学习起到画龙点睛的作用。

参考文献

[1] 康华光，电子技术基础模拟部分[M]，第五版，北京，高等教育出版社。

[2] 童诗白， 华成英主编，模拟电子技术基础[M]，第五版，北京，高等教育出版社。

[3] 田启泽，C3N纳米带场效应管设计及性能分析，硕士论文，南京理工大学，2018.12。

[4] 颜宇，黑磷场效应管输运特性及其对构建电路的影响，硕士论文，南京邮电大学，2019.4。

[5] 高宇，基于MoS2的1D/2D結型场效应晶体管的构筑和性能研究，硕士论文，华中科技大学，2019.5。

[6] 唐周全，基于隧穿场效应管器件的模拟电路设计与研究，硕士论文，电子科技大学，2020.6。

[7] 姜瑞瑞，基于隧道场效应管传感的纳米梁非线性振动控制研究，硕士论文，华中科技大学，2019.4。

[8] 曾荣周，铝自氧化介质新型石墨烯场效应管制备及可关断特性研究，博士论文，电子科技大学，2018.12.

[9] 吴婷，张建兵等编著，模拟电路答疑解惑与典型题解[M]， 第一版，北京，北京邮电大学出版社。