場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

1、場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理1. 場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理Fffect Transistor的縮寫(xiě),即為場(chǎng)效應(yīng)晶體管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電,因此稱為雙極型晶體管,而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。FET應(yīng)用范圍很廣,但不能說(shuō)現(xiàn)在普及的雙極型晶體管都可以用FET替代。然而，由于FET的特性與雙極型晶體管的特性完全不同，能構(gòu)成技術(shù)性能非常好的電路。2. 場(chǎng)效應(yīng)管的特征(a) JFET的概念圖(b) JFET的符號(hào)圖1(b)門(mén)極的箭頭指向?yàn)閜指向 n方向，分別表示內(nèi)向?yàn)閚溝道JFET，外向?yàn)閜溝道JFET。圖1(a)表示n溝道

2、JFET的特性例。以此圖為基礎(chǔ)看看JFET的電氣特性的特點(diǎn)。首先，門(mén)極-源極間電壓以0V時(shí)考慮(VGS =0)。在此狀態(tài)下漏極-源極間電壓VDS 從0V增加，漏電流ID幾乎與VDS 成比例增加，將此區(qū)域稱為非飽和區(qū)。VDS 達(dá)到某值以上漏電流ID 的變化變小，幾乎達(dá)到一定值。此時(shí)的ID 稱為飽和漏電流(有時(shí)也稱漏電流用IDSS 表示。與此IDSS 對(duì)應(yīng)的VDS 稱為夾斷電壓VP ，此區(qū)域稱為飽和區(qū)。其次在漏極-源極間加一定的電壓VDS (例如0.8V)，VGS 值從0開(kāi)始向負(fù)方向增加，ID 的值從IDSS 開(kāi)始慢慢地減少，對(duì)某VGS 值ID =0。將此時(shí)的VGS 稱為門(mén)極-源極間遮斷電壓或者截

3、止電壓，用VGS (off)示。n溝道JFET的情況則VGS (off) 值帶有負(fù)的符號(hào),測(cè)量實(shí)際的JFET對(duì)應(yīng)ID =0的VGS 因?yàn)楹芾щy,在放大器使用的小信號(hào)JFET時(shí),將達(dá)到ID =0.1-10A 的VGS 定義為VGS (off) 的情況多些。關(guān)于JFET為什么表示這樣的特性，用圖作以下簡(jiǎn)單的說(shuō)明。JFET的工作原理用一句話說(shuō)，就是"漏極-源極間流經(jīng)溝道的ID ，用以門(mén)極與溝道間的pn結(jié)形成的反偏的門(mén)極電壓控制ID "。更正確地說(shuō)，ID 流經(jīng)通路的寬度，即溝道截面積，它是由pn結(jié)反偏的變化，產(chǎn)生耗盡層擴(kuò)展變化控制的緣故。在VGS =0的非飽和區(qū)域，圖10.4.1(

4、a)表示的過(guò)渡層的擴(kuò)展因?yàn)椴缓艽?，根?jù)漏極-源極間所加VDS的電場(chǎng)，源極區(qū)域的某些電子被漏極拉去，即從漏極向源極有電流ID 流動(dòng)。達(dá)到飽和區(qū)域如圖10.4.2(a)所示，從門(mén)極向漏極擴(kuò)展的過(guò)度層將溝道的一部分構(gòu)成堵塞型，ID飽和。將這種狀態(tài)稱為夾斷。這意味著過(guò)渡層將溝道的一部分阻擋，并不是電流被切斷。在過(guò)渡層由于沒(méi)有電子、空穴的自由移動(dòng)，在理想狀態(tài)下幾乎具有絕緣特性，通常電流也難流動(dòng)。但是此時(shí)漏極-源極間的電場(chǎng)，實(shí)際上是兩個(gè)過(guò)渡層接觸漏極與門(mén)極下部附近，由于漂移電場(chǎng)拉去的高速電子通過(guò)過(guò)渡層。如圖10.4.1(b)所示的那樣，即便再增加VDS ，因漂移電場(chǎng)的強(qiáng)度幾乎不變產(chǎn)生ID 的飽和現(xiàn)象。其次

5、，如圖10.4.2(c)所示，VGS 向負(fù)的方向變化，讓VGS =VGS (off) ，此時(shí)過(guò)渡層大致成為覆蓋全區(qū)域的狀態(tài)。而且VDS 的電場(chǎng)大部分加到過(guò)渡層上，將電子拉向漂移方向的電場(chǎng)，只有靠近源極的很短部分，這更使電流不能流通。3.場(chǎng)效應(yīng)管的分類和結(jié)構(gòu):FET根據(jù)門(mén)極結(jié)構(gòu)分為如下兩大類。其結(jié)構(gòu)如圖3所示:圖3. FET的結(jié)構(gòu)各種結(jié)構(gòu)的FET均有門(mén)極、源極、漏極3個(gè)端子，將這些與雙極性晶體管的各端子對(duì)應(yīng)如表1所示。FET 雙極性晶體管漏極集電極門(mén)極基極源極發(fā)射極JFET是由漏極與源極間形成電流通道(channel)的p型或n型半導(dǎo)體，與門(mén)極形成pn結(jié)的結(jié)構(gòu)。另外，門(mén)極絕緣型FET是通道部分(

6、Semicoductor)上形成薄的氧化膜(Oxide)，并且在其上形成門(mén)極用金屬薄膜(Metal)的結(jié)構(gòu)。從制造門(mén)極結(jié)構(gòu)材質(zhì)按其字頭順序稱為MOS FET。根據(jù)JFET、MOS FET的通道部分的半導(dǎo)體是p型或是n型分別有p溝道元件，n溝道元件兩種類型。圖3均為n溝道型結(jié)構(gòu)圖。4.場(chǎng)效應(yīng)管的傳輸特性和輸出特性圖4 JFET的特性例(n溝道)從圖4所示的n溝道JFET的特性例來(lái)看，讓VGS 有很小的變化就可控制ID 很大變化的情況是可以理解的。采用JFET設(shè)計(jì)放大器電路中，VGS 與ID 的關(guān)系即傳輸特性是最重要的，其次將就傳輸特性以怎樣方式表示加以說(shuō)明。圖5 傳輸特性這個(gè)傳輸特性包括JFET

7、本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如溝道部分的雜質(zhì)濃度和載體移動(dòng)性，以致形狀、尺寸等，作為很麻煩的解析結(jié)果可導(dǎo)出如下公式(公式的推導(dǎo)略去)若說(shuō)式(10.4.2)是作為JFET的解析結(jié)果推導(dǎo)出來(lái)的，不如說(shuō)與實(shí)際的JFET的特性或者式(10.4.1)很一致的作為實(shí)驗(yàn)公式來(lái)考慮好些。圖5表示式(10.4.1)、式(10.4.2)及實(shí)際的JFET的正規(guī)化傳輸特性，即以ID /IDSS為縱坐標(biāo)，VGS /VGS (off) 為橫坐標(biāo)的傳輸特性。n溝道的JFET在VGS < 0的范圍使用時(shí)，因VGS(off) < 0，VGS /VGS(off) >0，但在圖5上考慮與實(shí)際的傳輸特性比較方便起見(jiàn)，將原點(diǎn)向左方向作為正方向。但在設(shè)計(jì)半導(dǎo)體電路時(shí)，需要使用方便且盡可能簡(jiǎn)單的近似式或?qū)嶒?yàn)式。傳輸特性相當(dāng)