场效应管介绍

场效应管原理场效应管原理 场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件 是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件 有 N 沟道器件和 P 沟道器件 有结型场效应三极管 JFET Junction Field Effect Transister 和绝缘栅型场效应三极管 IGFET Insulated Gate Field Effect Transister 之分 IGFET 也称金属 氧化物 半导体三极管 MOSFET Metal Oxide Semiconductor FET 1 1 1 1 1 MOS 场效应管 MOS 场效应管有增强型 Enhancement MOS 或 EMOS 和耗尽型 Depletion MOS 或 DMOS 两大类 每一类有 N 沟 道和 P 沟道两种导电类型 场效应管有三个电极 D Drain 称为漏极 相当双极型三极管的集电极 G Gate 称为栅极 相当于双极型三极管的基极 S Source 称为源极 相当于双极型三极管的发射极 增强型 MOS EMOS 场效应管 一 工作原理 1 沟道形成原理 当 VGS 0 V 时 漏源之间相当两个背靠背的二极管 在 D S 之间加上电压不会在 D S 间形成电流 当栅极加有电压时 若 0 VGS VGS th 时 通过栅极和衬底间的电容作用 将靠近栅极下方的 P 型半导体中的空穴向 下方排斥 出现了一薄层负离子的耗尽层 耗尽层中的少子将向表层运动 但数量有限 不足以形成沟道 所以仍然不足 以形成漏极电流 ID 进一步增加 VGS 当 VGS VGS th 时 VGS th 称为开启电压 由于此时的栅极电压已经比较强 在靠近栅极下方 的 P 型半导体表层中聚集较多的电子 可以形成沟道 将漏极和源极沟通 如果此时加有漏源电压 就可以形成漏极电 流 ID 在栅极下方形成的导电沟 1 线性电子电路教案 道中的电子 因与 P 型半导体的载流子空穴极性相反 故称为反型层 inversion layer 随着 VGS 的继续增加 ID 将不 断增加 在 VGS 0V 时 ID 0 只有当 VGS VGS th 后才会出现漏极电流 这种 MOS 管称为增强型 MOS 管 转移特性曲线的斜率 gm 的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用 gm 的量纲为 mA V 所以 gm 也称为跨导 跨导的定义式如下 constDS VGSDVIgm 单位 mS 2 VDS 对沟道导电能力的控制 当 VGS VGS th 且固定为某一值时 来分析漏源电压 VDS 对漏极电流 ID 的影响 VDS 的不同变化对沟道的影响如 图 3 2 所示 根据此图可以有如下关系 VDS VDG VGS VGD VGS VGD VGS VDS 当 VDS 为 0 或较小时 相当 VGD VGS th 沟道呈斜线分布 在紧靠漏极处 沟道达到开启的程度以上 漏源之间有 电流通过 当 VDS 增加到使 VGD VGS th 时 相当于 VDS 增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况 称为预夹断 此时的漏极电 流 ID 基本饱和 当 VDS 增加到 VGDVGS th VDSVGS th VDS VGS VGS th 限定 漏极电流表达式 2 th GSGSoxnD VV l2WCI 在这个工作区内 ID 受 VGS 控制 3 截止区和亚阈区 VGSVGS off VDSVGS off VDS VGS VGS off 限定 2 off GSGSDSSD VV1 II 3 截止区 VGS VGS off 沟道被夹断 ID 0 4 击穿区 当 VDS 增大到一定值 V BR DS 时 漏极端 PN 结发生雪崩击穿而使 ID 急剧增加区域 3 13 1 场效应管的类型场效应管的类型 第一页 这一节我们要了解场效应管的分类 各种场效应管的工作特点及根据特性曲线能判断管 子的类型 场效应管分为结型场效应管 JFET 和绝缘栅场效应管 MOS 管 一 结型场效应管一 结型场效应管 1 结型场效应管的分类 结型场效应管有两种结构形式 它们是 N 沟道结型场效应管 符号图为 1 和 P 沟道 结型场效应管 符号图为 2 从图中我们可以看到 结型场效应管也具有三个电极 它们是 G 栅极 D 漏极 S 源极 电路符号中栅极的箭头方向 可理解为两个 PNPN 结的正向导电方向 2 结型场效应管的工作原理 以 N 沟道结型场效应管为例 在D D S S间加上电压U UDS DS 则源极和漏极之间形成电流I ID D 我们通过改变栅极和源极的反向 电压U UGS GS 就可以改变两个 PN 结阻挡层的 耗尽层 的宽度 这样就改变了沟道电阻 因 此就改变了漏极电流I ID D 3 结型场效应管的特性曲线 以 N 沟道结型场效应管为例 输出特性曲线 如图 3 所示 根据工作特性我们把它分为四个区域 即 可变电阻区 放大区 击穿区 截止区 对此不作很深的要求 只要求我们看到输 出特性曲线能判断是什麽类型的管子即可 转移特性曲线 我们根据这个特性关系可得出它的特性曲线 如图 4 所示 它描述了栅 源之间电压对 漏极电流的控制作用 从图中我们可以看出当U UGS GS U UP P时I ID D 0 我们称U UP P为夹断电压 注 转移特性和输出特性同是反映场效应管工作时 U UGS GS U UDSDS I ID D之间的关系 它们之间是 可以互相转换的 3 13 1 场效应管的类型场效应管的类型 第二页 二 绝缘栅场效应管二 绝缘栅场效应管 MOS 管 1 绝缘栅场效应管的分类 绝缘栅场效应管也有两种结构形式 它们是 N 沟道型和 P 沟道型 无论是什麽沟道 它 们又分为增强型和耗尽型两种 2 绝缘栅型场效应管的工作原理 以 N 沟道增强型 MOS 场效应管 我们首先来看 N 沟道增强型 MOS 场效应管的符号图 如图 1 所示 它是利用U UGS GS来控制 感应电荷 的多少 以改变由这些 感 应电荷 形成的导电沟道的状况 然后达到控制漏极电流的目 的 3 绝缘栅型场效应管的特性曲线 以 N 沟道增强型 MOS 场效应管 它的转移特性曲线如图 2 所示 它的输出特性曲线如图 3 所示 它也分为 4 个区 可变电阻区 放大区 截止区和击穿区 注 对此我们也是只要求看到输出特性曲线和转移曲线能判断出是什麽类型的管子 即可 3 2 场效应管的主要参数和特点场效应管的主要参数和特点 一 场效应管的主要参数一 场效应管的主要参数 1 直流参数 饱和漏极电流I IDSS 它可定义为 当栅 源极之间的电压等于零 而漏 源极之间的 电压大于夹断电压时 对应的漏极电流 夹断电压U UP P 它可定义为 当U UDS DS一定时 使I ID D减小到一个微小的电流时所需的U UGSGS 开启电压U UT T 它可定义为 当U UDSDS一定时 使I ID D到达某一个数值时所需的U UGSGS 2 交流参数 低频跨导g gm m 它是描述栅 源电压对漏极电流的控制作用 极间电容 场效应管三个电极之间的电容 它的值越小表示管子的性能越好 3 极限参数 漏 源击穿电压 当漏极电流急剧上升时 产生雪崩击穿时的U UDS DS 栅极击穿电压 结型场效应管正常工作时 栅 源极之间的 PN 结处于反向偏置状态 若电流过高 则产生击穿现象 二 场效应管的特点二 场效应管的特点 场效应管具有放大作用 可以组成放大电路 它与双极性三极管相比具有以下特点 1 场效应管是电压控制器件 它通过U UGS GS来控制I ID D 2 场效应管的输入端电流极小 因此它的输入电阻很高 3 它是利用多数载流子导电 因此它的温度稳定性较好 4 它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路