與雙極型三極管相比

1、與雙極型三極管相比：雙極型三極管只有兩種用途：一是當(dāng)作電流控制器件用來(lái)組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開(kāi)關(guān)元件。3、學(xué)習(xí)方法場(chǎng)效應(yīng)管是代替雙極型三極管的一個(gè)性能更好的三極管，所以在學(xué)習(xí)的過(guò)程中一定要與雙極型三極管來(lái)對(duì)比，不能當(dāng)作一個(gè)全新的器件來(lái)學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容之前，先了解場(chǎng)效應(yīng)管的作用，場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用與雙極型三極管基本相同，只是場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻比較大，性能指標(biāo)更好些，學(xué)習(xí)中不要把場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型三極管割裂開(kāi)來(lái)，應(yīng)注意比較它們的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)?？梢赃@樣類比：柵極與基極對(duì)應(yīng)，漏極與集電極對(duì)應(yīng)，源極與發(fā)射極對(duì)應(yīng)。場(chǎng)效應(yīng)管又叫做單極型三極管，共有三種用途：一是當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來(lái)

2、使用；二是當(dāng)作電壓控制器件用來(lái)組成放大電路；三是在數(shù)字電路中用做開(kāi)關(guān)元件。雙極型三極管只有兩種用途：一是當(dāng)作電流控制器件用來(lái)組成放大電路；二是在數(shù)字電路中用做開(kāi)關(guān)元件。4、再次強(qiáng)調(diào)電壓參考方向和電流參考方向的約定問(wèn)題教材中的場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線是在某種參考方向的約定下得出的，但是教材中沒(méi)有強(qiáng)調(diào)這個(gè)問(wèn)題，教材的編寫認(rèn)為學(xué)生對(duì)電路的理解已經(jīng)很到位，但是實(shí)際情況并非如此。所以在此必須再次特別強(qiáng)調(diào)這個(gè)問(wèn)題。 5、場(chǎng)效應(yīng)管的分類：JFET和IGFET。JFET又分N溝道JFET和P溝道JFET。IGFET主要是MOSFET，N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型、P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型。6、JFET的工作原理：學(xué)

3、習(xí)中不要把場(chǎng)效應(yīng)管與雙極型三極管割裂開(kāi)來(lái)，應(yīng)注意比較它們的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)?？梢赃@樣類比：柵極與基極對(duì)應(yīng)，漏極與集電極對(duì)應(yīng)，源極與發(fā)射極對(duì)應(yīng)。以N溝道JFET為例，按照如下的思路來(lái)講解：（1）電壓源VGS和電壓源VDS都不起作用，電壓值均為0；（2）只有電壓源VGS起作用，電壓源VDS的電壓值為0；（3）只有電壓源VDS起作用，電壓源VGS的電壓值為0；（4）電壓源VGS和電壓源VDS同時(shí)起作用。在給出各種情況下的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作狀態(tài)時(shí)，同時(shí)畫出對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線。強(qiáng)調(diào)電壓源VGS的真實(shí)方向，電壓源VGS讓PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，所以VGS為一個(gè)負(fù)數(shù)。電壓源VGS控制導(dǎo)電溝道的寬窄，從而改變導(dǎo)電溝

4、道的電阻，再控制漏極電流的大小，體現(xiàn)了電壓對(duì)電流的一個(gè)控制能力，可以組成放大電路。在使用課件過(guò)程中，請(qǐng)主義不同的電壓源和其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的PN結(jié)使用不同顏色的線條給出，對(duì)應(yīng)關(guān)系一目了然。6.1 VDS =0伏、VGS = 0伏時(shí)JFET的工作狀態(tài)這種情況下兩個(gè)PN結(jié)處于零偏置狀態(tài)，它們中間的區(qū)域是導(dǎo)電溝道。而且導(dǎo)電溝道從漏極到源極平行等寬。用畫有黑色的斜線的區(qū)域表示達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的PN結(jié)。如圖1所示。這時(shí)導(dǎo)電溝道的電阻記為R1。圖1 VDS =0伏、VGS = 0伏時(shí)JFET的工作狀態(tài)6.2當(dāng)VDS =0伏時(shí)分別討論VGS 分別為 -1伏和 Vp 時(shí)JFET的工作狀態(tài)VDS =0伏、VGS逐漸增加V

5、GS = -1伏圖2 VDS =0伏、VGS = -1伏時(shí)JFET的工作狀態(tài)如圖2所示。畫有黑色的左斜線的區(qū)域所表示的PN結(jié)是沒(méi)有外加電壓源時(shí)自然形成的。外加電壓源VGS使PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，PN結(jié)的寬度增加，增加的這一部分用畫有紅色的右斜線的區(qū)域來(lái)表示。同時(shí)將電壓源VGS也畫成紅色，電壓源的符號(hào)和其產(chǎn)生的PN結(jié)均畫成紅色，對(duì)應(yīng)關(guān)系一目了然（因?yàn)楹诎讏D無(wú)法表示出顏色，所以在圖2中用文字加以說(shuō)明）。此時(shí)導(dǎo)電溝道從漏極到源極平行等寬，但比沒(méi)有電壓源VGS作用時(shí)的導(dǎo)電溝道要窄一些。這時(shí)的導(dǎo)電溝道的電阻用R2表示。R2要大于R1。2) VDS =0伏、VGS逐漸增加至VGS = Vp當(dāng)VGS逐漸增加至

6、VGS = Vp 時(shí)（不妨取Vp= -3伏），由VGS產(chǎn)生的PN結(jié)左右相接，使導(dǎo)電溝道完全被夾斷。這時(shí)的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。如圖3所示。Vp是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)參數(shù)，稱為夾斷電壓。不同管子的夾斷電壓的值是不同的。 圖3 VDS =0伏、VGS = Vp時(shí)JFET的工作狀態(tài)VDS =0伏、VGS繼續(xù)增加結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入擊穿狀態(tài) VGS 增加使PN結(jié)上的反偏電壓超過(guò)V（BR）DS時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)。6.3 當(dāng)VGS =0伏時(shí)分別討論VDS 由小變大的過(guò)程中JFET的幾種工作狀態(tài)VGS =0伏、VDS的值比較小時(shí)如圖4所示，在課件中，電壓源VDS用藍(lán)色的線條表示，由它產(chǎn)生的PN結(jié)也

7、對(duì)應(yīng)的用藍(lán)色的線條表示（在圖4中用文字來(lái)說(shuō)明）。因?yàn)閂GS =0伏，所以VGS對(duì)PN結(jié)的寬度沒(méi)有影響，如前所述，此時(shí)導(dǎo)電溝道最寬，相應(yīng)的等效電阻為R1。電壓源VDS使電流沿導(dǎo)電溝道從漏極流向源極，從而引起漏極到源極的導(dǎo)電溝道上有電位降，VDS給PN結(jié)施加的是一個(gè)反偏電壓，靠近漏極的區(qū)域反偏電壓大，靠近源極的區(qū)域反偏電壓小，導(dǎo)電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。當(dāng)VDS 比較小時(shí) ，導(dǎo)電溝道不會(huì)被夾斷。在導(dǎo)電溝道沒(méi)有被夾斷之前，可以近似地認(rèn)為導(dǎo)電溝道的電阻均為R1，此時(shí)導(dǎo)電溝道可以認(rèn)為是線性電阻。這時(shí)VDS和iD的關(guān)系可以用圖7 輸出特性曲線中過(guò)原點(diǎn)的OA直線段表示?？梢赃@么說(shuō)，當(dāng)導(dǎo)電溝道在

8、預(yù)夾斷之前JFET管的狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出特性曲線的線性電阻區(qū)。圖4 VGS =0伏、VDS較小時(shí)的JFET的工作狀態(tài)2) VGS =0伏、VDS的值增加至Vp時(shí)如圖5所示，當(dāng)VDS的值增加至Vp時(shí)，PN結(jié)在靠近漏極的一點(diǎn)最先相接，導(dǎo)電溝道被預(yù)夾斷。對(duì)應(yīng)圖7輸出特性曲線中的A點(diǎn)。此時(shí)溝道中的電流為所有可能的最大的電流，稱為飽和漏極電流，記作IDSS 。圖5 VGS =0伏、VDS增加至Vp時(shí)的JFET的工作狀態(tài)3) VGS =0伏、VDS繼續(xù)增加如圖6所示，當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，PN結(jié)相接的區(qū)域繼續(xù)向源極方向擴(kuò)展，導(dǎo)電溝道被夾斷的這部分區(qū)域?qū)?yīng)的電阻可以近似認(rèn)為是無(wú)窮大，但是此時(shí)在靠近源極的區(qū)域?qū)щ姕系?/p>

9、還存在，與被夾斷的區(qū)域所呈現(xiàn)的電阻相比，此導(dǎo)電溝道對(duì)應(yīng)的電阻比較小，所以當(dāng)電壓源VDS增加時(shí)，可以近似認(rèn)為漏極電流不隨VDS的增加而增加?？梢赃@樣來(lái)解釋，電壓源VDS增加的部分幾乎全部落在前一部分上，導(dǎo)電溝道上的電壓幾乎不變，所以漏極電流幾乎不變，處于飽和狀態(tài)，此時(shí)的電流仍然是IDSS，JFET管的狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖7輸出特性曲線中的AB段。此區(qū)域稱為恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）。此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管可當(dāng)作電壓控制器件用來(lái)組成放大電路。 圖6 VGS =0伏、VDS繼續(xù)增加時(shí)JFET的工作狀態(tài)4) VGS =0伏、VDS繼續(xù)增加至V（BR）DSPN結(jié)上的反偏電壓超過(guò)某值時(shí)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管將進(jìn)入擊穿狀態(tài)，如圖7中的B

10、點(diǎn)所示。此時(shí)的VDS值為最大漏源電壓，記為V（BR）DS 。圖7 VGS =0伏時(shí)的輸出特性曲線6.4 當(dāng)VGS = -1伏（即VGSVp的某個(gè)值）時(shí) VDS 由小變大時(shí)JFET的狀態(tài)1) VGS = -1伏、VDS的值比較小時(shí)電壓源VGS畫成紅色，標(biāo)有紅色的右斜線的區(qū)域表示VGS = -1伏產(chǎn)生的PN結(jié)，紅色的電壓源符號(hào)與紅色的PN結(jié)對(duì)應(yīng)。如前所述，此時(shí)導(dǎo)電溝道的電阻為R2。電壓源VDS使電流沿導(dǎo)電溝道從漏極流向源極，從而引起漏極到源極的導(dǎo)電溝道上有電位降，VDS給PN結(jié)施加的是一個(gè)反偏電壓，靠近漏極的區(qū)域反偏電壓大，靠近源極的區(qū)域反偏電壓小，導(dǎo)電溝道不再是上下平行等寬，而是上窄下寬。因?yàn)閂

11、DS 的值比較小，所以導(dǎo)電溝道還沒(méi)有被夾斷。在導(dǎo)電溝道沒(méi)有被夾斷之前，可以近似地認(rèn)為導(dǎo)電溝道的電阻均為R2，導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)線性電阻的性質(zhì)。JFET管的狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖11 中過(guò)原點(diǎn)的OM直線段?？梢赃@么說(shuō)，導(dǎo)電溝道在預(yù)夾斷之前可以等效成一個(gè)線性電阻。圖8 VGS = -1伏、VDS 比較小時(shí)的JFET的工作狀態(tài)VGS = -1伏、VDS的值增加至某值開(kāi)始出現(xiàn)預(yù)夾斷如圖9所示，當(dāng)VDS的值增加至某值（此值比Vp?。r(shí)，兩邊的PN結(jié)在靠近漏極的某點(diǎn)最先相接，導(dǎo)電溝道被預(yù)夾斷,在此點(diǎn)有VGS+VDS =Vp。JFET的狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖11輸出特性曲線中的M點(diǎn)。M點(diǎn)對(duì)應(yīng)的VDS值比A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的VDS值小，因?yàn)閂DS=

12、Vp-VGSVp。圖9 VGS = -1伏、VDS的值增加至預(yù)夾斷時(shí)JFET的工作狀態(tài)3) VGS = -1伏、VDS的值繼續(xù)增加 如圖10所示，當(dāng)VDS繼續(xù)增加時(shí)，兩邊PN結(jié)相接的區(qū)域繼續(xù)向源極方向擴(kuò)展，這部分區(qū)域?qū)?yīng)的電阻可以認(rèn)為是無(wú)窮大。此時(shí)導(dǎo)電溝道在靠近源極的區(qū)域依然存在，導(dǎo)電溝道對(duì)應(yīng)的電阻比較小。漏極電流不隨VDS的增加而增加，可以這樣來(lái)解釋，電壓源VDS增加的部分幾乎全部落在前一部分上，導(dǎo)電溝道上的電壓幾乎不變。所以漏極電流幾乎不變，處于飽和狀態(tài)。此時(shí)JFET管的狀態(tài)對(duì)應(yīng)圖11輸出特性曲線中的MN段。此區(qū)域稱為恒流區(qū)（放大區(qū)、飽和區(qū)）。此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管可當(dāng)作電壓控制器件用來(lái)組成放大電路

13、。圖10 VGS = -1伏、VDS繼續(xù)增加時(shí)JFET的工作狀態(tài)4）VGS = -1伏、VDS繼續(xù)增加至出現(xiàn)PN結(jié)擊穿VGS 和VDS電壓源分別使PN結(jié)反偏，它們共同作用使靠近漏極的PN結(jié)承受最大的反偏電壓，VDS增加使PN結(jié)上的反偏電壓過(guò)大時(shí)，在靠近漏極的區(qū)域首先出現(xiàn)反向擊穿。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)入反向擊穿狀態(tài)，此時(shí)的VDS值比VGS =0時(shí)出現(xiàn)反向擊穿的VDS小。圖11 輸出特性曲線6.5 當(dāng)VGS VP時(shí)JFET處于截止?fàn)顟B(tài) 當(dāng)VGS VP時(shí)，導(dǎo)電溝道全部被夾斷，JFET處于截止?fàn)顟B(tài)，在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件的一個(gè)狀態(tài),對(duì)應(yīng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。 不同VGS下預(yù)夾斷點(diǎn)相連成一條曲線，此曲線與縱軸相夾的區(qū)

14、域稱為可變電阻區(qū)。此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)作壓控可變電阻，即非線性電阻來(lái)使用?？勺冸娮鑵^(qū)在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件的一個(gè)狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)的VDS記為VDS（sat） ，VDS（sat）Vp。絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的講解與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的講解過(guò)程幾乎完全相同，只是導(dǎo)電溝道的形成原理稍有不同。7 場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線在講解場(chǎng)效應(yīng)管工作原理的過(guò)程中，同時(shí)得出了輸出特性曲線?？墒箤W(xué)生對(duì)輸出特性曲線有一個(gè)比較直觀的理解。沒(méi)有必要分析場(chǎng)效應(yīng)管的輸入特性曲線，因?yàn)闁艠O的電流為0。這點(diǎn)與雙極型三極管的特性曲線不同，雙極型三極管需要輸入特性曲線來(lái)描述三極管的特性。如圖12所示，在輸出特性曲線的放大區(qū)，在放大區(qū)，對(duì)應(yīng)畫出一條垂線，可以得到一組VGS和i D的值，將這些點(diǎn)連成一條曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，如圖13所示。轉(zhuǎn)移特性曲線從另一個(gè)側(cè)面描述了效應(yīng)管的VGS電壓對(duì)漏極電流iD的控制能力。曲線上任一點(diǎn)的切線的斜率即為此點(diǎn)的跨導(dǎo)gm。gm越大，說(shuō)明VGS對(duì)iD的控制能力越強(qiáng)，gm是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要參數(shù)。圖12 從輸出特性曲線求轉(zhuǎn)移特性曲線 圖13 轉(zhuǎn)移特性曲線8 場(chǎng)效應(yīng)管的小信號(hào)模型SDgdsvgs+-+-vdsG