1.4 场效应管,图1-1 结型场效应管的结构示意图和符号,一. 结构,1.4.1 结型场效应管,+,+,+,+,N沟道JFET，是在一根N型半导体棒两侧通过高浓度扩散制造两个重掺杂P+型区，形成两个PN结，将两个P+区接在一起引出一个电极，称为栅极(Gate)，在两个PN结之间的N型半导体构成导电沟道。在N型半导体的两端各制造为源极(Source)，接收端称为漏极(Drain)。在JFET中，源极和漏极是可以互换的。,如果在栅极和源极之间加上负的电压UGS，而在漏极和源极之间加上正的电压UDS，那么，在UDS作用下，电子将源源不断地由源极向漏极运动，形成漏极电流ID。因为栅源电压UGS为负，PN结反偏，在栅源间仅存在微弱的反向饱和电流，所以栅极电流IG0，源极电流IS=ID。这就是结型场效应管输入阻抗很大的原因。,二. 工作原理,(a) UGS =0，沟道最宽，ID最大,1. UGS对导电沟道的影响,图1-2 UGS 对导电沟道影响示意图,(b) UGS负压增大，沟道变窄， ID减小；,图1-2 UGS 对导电沟道影响示意图,(c) UGS负压进一步增大，沟道夹断， ID =0,图1-2 UGS 对导电沟道影响示意图,UGS=夹断电压UP,为了使输入阻抗大(不允许出现栅流iG)，也为了使栅源电压对沟道宽度及漏极电流有效地进行控制，PN结一定要反偏，所以在N沟道JFET中，uGS必须为负值。,2. UGS =0时UDS对导电沟道的影响,图 1-3 UDS对导电沟道和ID的影响,1. 转移特性曲线,图1- 4 N沟道结型场效应管的转移特性曲线,三. 特性曲线,2. 输出特性曲线,图1-5 N沟道结型场效应管的输出特性,根据工作情况, 输出特性可划分为4个区域, 即: 可变电阻区、 恒流区、击穿区和截止区。,1. 可变电阻区 当uDS很小，|uDS-uGS|UP|时，即预夹断前(如图所示)，uDS的变化直接影响整个沟道的电场强度，从而影响iD的大小。所以在此区域，随着uDS的增大， iD增大很快。 与双极型晶体管不同，在JFET中，栅源电压uGS对iD上升的斜率影响较大，随着|uGS|增大，曲线斜率变小，说明JFET的输出电阻变大。如图1-5所示 。,2.恒流区 恒流区相当于双极型晶体管的放大区。其主要特征为： (1)当UPUGS0时，uGS变化，曲线平移，iD与uGS符合平方律关系， uGS对iD的控制能力很强。,(2)UGS固定，uDS增大，iD增大极小。说明在恒流区，uDS对iD的控制能力很弱。这是因为，当uDS较大时，UDG增大，靠近漏区的PN结局部变厚，当 |uDS-uGS|UP| 时，沟道在漏极附近被局部夹断(称为预夹断)，如图所示。此后， uDS再增大，电压主要降到局部夹断区，而对整个沟道的导电能力影响不大。所以uDS的变化对iD影响很小。,3. 截止区 当|UGS|UP|时，沟道被全部夹断，iD=0，故此区为截止区。若利用JFET作为开关，则工作在截止区，即相当于开关打开。 4.击穿区 随着uDS增大，靠近漏区的PN结反偏电压uDG(=uDS-uGS)也随之增大,1.4.2 绝缘栅场效应管,一. N沟道增强型MOS场效应管 1. 结构,图 1-6 N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图,2. 工作原理,图 1-7 UGSUT时形成导电沟道,ID0是uGS=2UT时的iD,3. 特性曲线,图1-8 N沟道增强型MOS场效应管的特性曲线,二. N沟道耗尽型MOS场效应管,图 1-9 N沟道耗尽型MOS管的结构示意图,图 1-10 N沟道耗尽型MOS场效应管的特性曲线,图 3-11 MOS场效应管电路符号,表3-1 各种场效应管的符号和特性曲线,表1-1,续表,1.4.3 场效应管的主要参数,一. 直流参数 1. 饱和漏极电流IDSS （耗尽型和结型） 定义是当栅源之间的电压UGS等于零, 而漏、源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。,2. 夹断电压UP （耗尽型和结型） 其定义为当UDS一定时,使ID减小到某一个微小电流(如50A)时所需的UGS值。,3. 开启电压UT (增强型) UT是增强型场效应管的重要参数, 它的定义是当UDS一定时, 漏极电流ID达到某一数值(例如10A)时所需加的UGS值。,4. 直流输入电阻RGS RGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比。由于栅极几乎不索取电流, 因此输入电阻很高。 结型为106 以上, MOS管可达1010以上。,二. 交流参数 1. 低频跨导gm,跨导gm的单位是mA/V。它的值可由转移特性或输出特性求得。,三. 极限参数 1. 漏极最大允许耗散功率PDm PDm与ID、UDS有如下关系:,这部分功率将转化为热能, 使管子的温度升高。PDm决定于场效应管允许的最高温升。,2.漏、源间击穿电压U（BR）DS 在场效应管输出特性曲线上, 当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏、源之间的电压不得超过此值。,3. 栅源间击穿电压U（BR）GS 结型场效应管正常工作时, 栅、源之间的PN结处于反向偏置状态, 若UGS过高, PN结将被击穿。 对于MOS场效应管, 由于栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层, 当UGS过高时, 可能将SiO2绝缘层击穿, 使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于PN结击穿, 而和电容器击穿的情况类似, 属于破坏性击穿, 即栅、 源间发生击穿, MOS管立即被损坏。,1.4.4 场效应管的特点,(1) 场效应管是一种电压控制器件, 即通过UGS来控制ID。 (2) 场效应管输入端几乎没有电流, 所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。 (3) 由于场效应管是利用多数载流子导电的, 因此, 与双极性三极管相比, 具有噪声小、受幅射的影响小、热稳定性较好而且存在零温度系数工作点等特性。,(4) 由于场效应管的结构对称, 有时漏极和源极可以互换使用, 而各项指标基本上不受影响, 因此应用时比较方便、 灵活。 (5) 场效应管的制造工艺简单, 有利于大规模集成。 (6) 由于MOS场效应管的输入电阻可高达1015, 因此, 由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏, 而栅极上的SiO2绝缘层又很薄, 这将在栅极上产生很高的电场强度, 以致引起绝缘层击穿而损坏管子。 (7) 场效应管的跨导较小, 当组成放大电路时, 在相同的负载电阻下, 电压放大倍数比双极型三极管低。,图 3-12 栅极过压保护电路,