结型场效应管

2011-07-12 20:05:19来源: 互联网
结型场效应管

4.1.1 结型场效应管的结构与工作原理

一、结型场效应管的结构

如图1(a)所示,在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结,即耗尽层。把两个P+区并联在一起,引出一个电极g,称为极,在N型半导体的两端各引出一个电极,分别称为源极s和漏极d。它们分别与三极管的基极b、发射极e和集电极c相对应。夹在两个P+N结中间的N区是电流的通道,称为导电沟道(简称沟道)。这种结构的管子称为N沟道结型场效应管,它在电路中用图1(b)所示的符号表示,栅极上的箭头表示栅-源极间的P+N结正向偏置时,栅极电流的方向(由P区指向N区)。

 N沟道JFET的结构剖面图

图2

如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区,就可以制成一个P沟道的结型场效应管。图2给出了这种管子的结构示意图和它在电路中的代表符号。

结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向,可以确认沟道的类型。

二、工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同,现以N沟道结型场效应管为例,分析其工作原理。

N沟道结型场效应管工作时,需要外加如图1所示的偏置电压(鼠标单击图1中“结型场效应管的工作原理”),即在栅-源极间加一负电压(vGS<0),使栅-源极间的P+N结反偏,栅极电流iG≈0,场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。在漏-源极间加一正电压(vDS>0),使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动,形成漏极电流iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制,同时也受漏-源电压vDS的影响。因此,讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对沟道电阻及漏极电流iD的控制作用,以及漏-源电压vDS对漏极电流iD的影响。(再单击图1中“结型场效应管的工作原理”,并分别单击其下方的三排热字)

详细说明:

1.vGS对沟道电阻及iD的控制作用

 

(a)  vGS=0的情况                       (b)  VP

  (c)  vGS≤VP

图2

图2所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论,先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。当栅-源电压vGS=0时,沟道较宽,其电阻较小,如图2(a)所示。当vGS<0,且其大小增加时,在这个反偏电压的作用下,两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区,因此,随着|vGS| 的增加,耗尽层将主要向N沟道中扩展,使沟道变窄,沟道电阻增大,如图2(b)所示。当|vGS| 进一步增大到一定值|VP| 时,两侧的耗尽层将在沟道中央合拢,沟道全部被夹断,如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子,因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大,即使加上一定的电压vDS,漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压,用VP表示。

上述分析表明,改变栅源电压vGS的大小,可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS,则漏极电流iD将受vGS的控制,|vGS|增大时,沟道电阻增大,iD减小。上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场,电场强度的大小控制了沟道的宽度,即控制了沟道电阻的大小,从而控制了漏极电流iD的大小。

2.vDS对iD的影响

(a)vDS

(c)vDS>vGS-VP的情况

图3

设vGS值固定,且VP

在vDS较小时,它对iD的影响应从两个角度来分析:一方面vDS增加时,沟道的电场强度增大,iD随着增加;另一方面,随着vDS的增加,沟道的不均匀性增大,即沟道电阻增加,iD应该下降,但是在vDS较小时,沟道的不均匀性不明显,在漏极附近的区域内沟道仍然较宽,即vDS对沟道电阻影响不大,故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。随着vDS的进一步增加,靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大,这里的耗尽层相应变宽,沟道电阻相应增加,iD随vDS上升的速度趋缓。

当vDS增加到vDS=vGS-VP,即vGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢,如图3(b)所示,这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同,预夹断后,漏极电流iD≠0。因为这时沟道仍然存在,沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动,并被强电场拉向漏极。若vDS继续增加,使vDS>vGS-VP,即vGD<VP时,耗尽层合拢部分会有增加,即自A点向源极方向延伸,如图3(c),夹断区的电阻越来越大,但漏极电流iD却基本上趋于饱和,iD不随vDS的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大,vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上,沟道电场强度增加不多,因而iD基本不变。但当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后,漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿,iD会急剧增加,正常工作时vDS不能超过V(BR)DS。

从结型场效应管正常工作时的原理可知:① 结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的,因此,栅极电流iG≈0,输入阻抗很高。② 漏极电流受栅-源电压vGS控制,所以场效应管是电压控制电流器件。③ 预夹断前,即vDS较小时,iD与vDS间基本呈线性关系;预夹断后,iD趋于饱和。

P沟道结型场效应管工作时,电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。

4.1.2 结型场效应管的曲线及参数

详细文字说明:

由于结型场效应管的栅极输入电流iG≈0,因此很少应用输入特性曲线,常用的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线。

1.输出特性曲线

输出特性曲线用来描述vGS取一定值时,电流iD和电压vDS间的关系,即

它反映了漏-源电压vDS对iD的影响。

图1是一个N沟道结型场效应管的输出特性曲线。由此图可见,结型场效应管的工作状态可划分为四个区域。

    

              图1

(1) 可变电阻区

可变电阻区位于输出特性曲线的起始部分,它表示vDS较小、管子预夹断前,电压vDS与漏极电流iD间的关系。

在此区域内有VP<vGS≤0,vDS<vGS-VP。当vGS一定,vDS较小时,vDS对沟道影响不大,沟道电阻基本不变,iD与vDS之间基本呈线性关系。若 | vGS | 增加,则沟道电阻增大,输出特性曲线斜率减小。所以,在vDS较小时,源-漏极间可以看作是一个受vGS控制的可变电阻,故称这一区域为可变电阻区。这一特点常使结型场效应管被作为压控电阻而广泛应用。

(2) 饱和区(也称恒流区)

当VP<vGS≤0且vDS≥vGS-VP时,N沟道结型场效应管进入饱和区,即图中特性曲线近似水平的部分。它表示管子预夹断后,电压vDS与漏极电流iD间的关系。饱和区的特点是iD几乎不随vDS的变化而变化,iD已趋于饱和,但它受vGS的控制。 增加,沟道电阻增加,iD减小。场效应管作线性放大器件用时,就工作在饱和区。

应当指出,图1中左边的虚线是可变电阻区与饱和区的分界线,是结型场效应管的预夹断点(vDS=vGS-VP)的轨迹。显然,预夹断点随vGS改变而变化,vGS愈负,预夹断时的vDS越小。

(3) 击穿区

管子预夹断后,若vDS继续增大,当栅-漏极间P+N结上的反偏电压vGD增大到使P+N结发生击穿时,iD将急剧上升,特性曲线进入击穿区。管子被击穿后再不能正常工作。

(4) 截止区(又称夹断区)

当栅-源电压 时,沟道全部被夹断,iD≈0,这时场效应管处于截止状态。截止区处于输出特性曲线图的横座标轴附近(图1中未标注)。

2. 转移特性曲线

转移特性曲线用来描述vDS取一定值时,iD与vGS间的关系的曲线,即

它反映了栅-源电压vGS对iD的控制作用。

由于转移特性和输出特性都是用来描述vGS、vDS及iD间的关系的,所以转移特性曲线可以根据输出特性曲线绘出。作法如下:在图1所示的输出特性中作一条vDS=10V的垂线,将此垂线与各条输出特性曲线的交点A、B和C所对应的iD、vGS的值转移到iD-vGS直角坐标系中,即可得到转移特性曲线 ,如图2(a)所示。

(a)vDS=10V时的转移特性曲线

(b)vDS取不同值时的转移特性曲线

图2

改变vDS的大小,可得到一族转移特性曲线,如图2(b)所示。由此图可以看出,当vDS≥ (图中为vDS≥5V)后,不同vDS下的转移特性曲线几乎重合,这是因为在饱和区内iD几乎不随vDS而变。因此可用一条转移特性曲线来表示饱和区中iD与vGS的关系。在饱和区内iD可近似地表示为

(VP<vGS≤0) (5.1.1)

式中IDSS为vGS=0,vDS≥ 时的漏极电流,称为饱和漏极电流。

3、主要参数

(1). 夹断电压VP

当vDS为某一固定值(例如10V),使iD等于某一微小电流(例如50mA)时,栅-源极间所加的电压即夹断电压。

(2). 饱和漏极电流IDSS

在vGS=0的条件下,场效应管发生预夹断时的漏极电流。 IDSS是结型场效管管子所能输出的最大电流。

(3). 直流输入电阻RGS

它是在漏-源极间短路的条件下,栅-源极间加一定电压时,栅-源极间的直流电阻。

(4). 低频跨导gm

当vDS为常数时,漏极电流的微小变化量与栅-源电压vGS的微小变化量之比为跨导,即                        

                                            

gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力,是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子(s),有时也用ms或μs表示。需要指出的是,gm与管子的工作电流有关,iD越大,gm就越大。在放大电路中,场效应管工作在饱和区(恒流区),gm可由式和 求得,即 

(5). 输出电阻rd

当vGS为常数时,漏-源电压的微小变化量与漏极电流iD的微小变化量之比为输出电阻rd,即

                                          

rd反映了漏-源电压vDS对iD的影响。在饱和区内,iD几乎不随vDS而变化,因此,rd数值很大,一般为几十千欧~几百千欧。

(6). 极间电容Cgs、Cgd、Cds

Cgs是栅-源极间存在的电容,Cgd是栅-漏极间存在的电容。它们的大小一般为1~3pF,而漏-源极间的电容Cds约为0.1~1pF。在低频情况下,极间电容的影响可以忽略,但在高频应用时,极间电容的影响必须考虑。

(7). 最大漏-源电压V(BR)DS

指管子沟道发生雪崩击穿引起iD急剧上升时的vDS值。V(BR)DS的大小与vGS有关,对N沟道而言,|vGS|的值越大,则V(BR)DS越小。

(8). 最大栅-源电压V(BR)GS

指栅-源极间的PN结发生反向击穿时的vGS值,这时栅极电流由零而急剧上升。

(9). 漏极最大耗散功率PDM

漏极耗散功率PD(=vDSiD)变为热能使管子的温度升高,为了限制管子的温度,就需要限制管子的耗散功率不能超过PDM。PDM的大小与环境温度有关。

除了以上参数外,结型场效应管还有噪声系数,高频参数等其他参数。结型场效应管的噪声系数很小,可达1.5dB以下。

关键字:场效应管

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0712/article_10542.html
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