1.4 场效应管

场效应管FET:Field Effect Transistor)是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称单极型晶体管。场效应管不但具备双极型晶体管体积小、重量轻、寿命长等优点,而且输入回路的内阻高达10710^7107 ~ 101210^{12}1012Ω,噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、耗电省,使之从20世纪60年代诞生起就广泛地应用于各种电子电路之中。场效应管分为结型绝缘栅型两种不同结构。

一、结型场效应管

结型场效应管JFET:Junction Field Effect Transistor)有N沟道P沟道两种类型,图1.4.1(a)是N沟道的实际结构图,图(b)为它们的符号。在这里插入图片描述图1.4.2所示为N沟道结型场效应管的结构示意图。图中,在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区,并将它们连接在一起,所引起的电极称为栅极g,N型半导体的两端分别引出两个电极,一个称为漏极d,一个称为源极s。P区与N区交界面形成耗尽层,漏极与源极间的非耗尽层区域称为导电沟道
注:此时源极s与漏极d没有区别。
在这里插入图片描述

1、结型场效应管的工作原理

为使N沟道结型场效应管能正常工作,应在其栅-源之间加负电压(即uGS<0u_{GS}<0uGS<0),以保证耗尽层承受反向电压;在漏-源之间加正向电压uDSu_{DS}uDS,以形成漏极电流iDi_DiDuGS<0u_{GS}<0uGS<0,既保证了栅-源之间内阻很高的特点,又实现了uGSu_{GS}uGS对沟道电流的控制。
下面通过栅-源电压uGSu_{GS}uGS和漏-源电压uDSu_{DS}uDS对导电沟道的影响,来说明管子的工作原理。
(1)当uDS=0Vu_{DS}=0VuDS=0V(即d、s短路)时,uGSu_{GS}uGS对导电沟道的控制作用
uDS=0Vu_{DS}=0VuDS=0VuGS=0Vu_{GS}=0VuGS=0V时,耗尽层很窄,导电沟道很宽,如图1.4.3(a)所示。在这里插入图片描述∣uGS∣\pmb{|u_{GS}|}uGS 增大时,耗尽层加宽,沟道变窄[见图(b)所示],沟道电阻增大。当∣uGS∣|u_{GS}|uGS增大到某一数值时,耗尽层闭合,沟道消失[见图(ccc)所示],沟道电阻趋于无穷大,称此时uGSu_{GS}uGS的值为夹断电压UGS(off)\pmb{U_{GS(off)}}UGS(off)
(2)当uGSu_{GS}uGSUGS(off)U_{GS(off)}UGS(off) ~ 0V0V0V中某一固定值时,uDSu_{DS}uDS对漏极电流iDi_DiD的影响
uGSu_{GS}uGSUGS(off)U_{GS(off)}UGS(off) ~ 0V0V0V中某一确定值时,若uDS=0Vu_{DS}=0VuDS=0V,则虽然存在由uGSu_{GS}uGS所确定的一定宽度的导电沟道,但由于d-s间电压为零,多子不会产生定向移动,因而漏极电流iDi_DiD为零。
uDS>0Vu_{DS}>0VuDS>0V,则有电流iDi_DiD从漏极流向源极,从而使沟道中各点与栅极间的电压不再相等,而是沿沟道从源极到漏极逐渐增大,造成靠近漏极一边的耗尽层比靠近源极一边的宽,即靠近漏极一边的导电沟道比靠近源极一边的窄,见图1.4.4(a)所示。在这里插入图片描述因为栅-源电压uGD=uGS−uDSu_{GD}=u_{GS}-u_{DS}uGD=uGSuDS,所以当uDSu_{DS}uDS从零逐渐增大时,uGDu_{GD}uGD逐渐减小,靠近漏极一边的导电沟道必将随之变窄。但是,只要栅-漏间不出现夹断区域,沟道电阻仍基本决定于栅-源电压uGSu_{GS}uGS,因此,电流iDi_DiD将随uDSu_{DS}uDS的增大而线性增大,d-s呈电阻特性。而一旦uDSu_{DS}uDS的增大使uGDu_{GD}uGD等于UGS(off)U_{GS(off)}UGS(off),则漏极一边的耗尽层就会出现夹断区,见图(b)所示,称uGD=UGS(off)u_{GD}=U_{GS(off)}uGD=UGS(off)预夹断。若uDSu_{DS}uDS继续增大,则uGD<UGS(off)u_{GD}<U_{GS(off)}uGD<UGS(off),耗尽层闭合部分将沿沟道方向延伸,即夹断区加长,见图(ccc)所示。这时,一方面自由电子从漏极向源极定向移动所受阻力加大(只能从夹断区的窄缝以较高速度通过),从而导致iDi_DiD减小;另一方面,随着uDSu_{DS}uDS的增大,使d-s间的纵向电场增强,也必然导致iDi_DiD增大。实际上,上述iDi_DiD的两种变化趋势相抵消,uDSu_{DS}uDS的增大几乎全部降落在夹断区,用于克服夹断区对iDi_DiD形成的阻力。因此,从外部看,在uGD<UGS(off)u_{GD}<U_{GS(off)}uGD<UGS(off)的情况下,当uDSu_{DS}uDS增大时iDi_DiD几乎不变,即iDi_DiD几乎仅仅决定于uGSu_{GS}uGS,表现出iDi_DiD的恒流特性。
(3)当uGD<UGS(off)u_{GD}<U_{GS(off)}uGD<UGS(off)时,uGSu_{GS}uGSiDi_DiD的控制作用
uGD=uGS−uDS<UGS(off)u_{GD}=u_{GS}-u_{DS}<U_{GS(off)}uGD=uGSuDS<UGS(off),即uDS>uGS−UGS(off)u_{DS}>u_{GS}-U_{GS(off)}uDS>uGSUGS(off)的情况下,当uDSu_{DS}uDS为一常量时,对应于确定的uGSu_{GS}uGS,就有确定的iDi_DiD。此时,可以通过改变uGSu_{GS}uGS来控制iDi_DiD的大小。由于漏极电流受栅-源电压的控制,故称场效应管为电压控制元件。与晶体管用β(=ΔiC/ΔiB)\beta(=\Delta i_C/\Delta i_B)β(=ΔiCiB)来描述动态情况下基极电流对集电极电流的控制作用相类似,场效应管用gmg_mgm来描述动态的栅-源电压对漏极电流的控制作用,gmg_mgm称为低频跨导gm=ΔiDΔuGS∣UDS=常量(1.4.1)g_m=\frac{\Delta i_D}{\Delta u_{GS}}\left.\right|_{U_{DS}=常量}{\kern 100pt}(1.4.1)gm=ΔuGSΔiDUDS=常量(1.4.1)
由以上分析可知:
① 在uGD=uGS−uDS>UGS(off)u_{GD}=u_{GS}-u_{DS}>U_{GS(off)}uGD=uGSuDS>UGS(off)的情况下,即当uDS<uGS−UGS(off)u_{DS}<u_{GS}-U_{GS(off)}uDS<uGSUGS(off)(即g-d间未出现夹断)时,对应于不同的uGSu_{GS}uGS,d-s间等效成不同阻值的电阻。
② 当uDSu_{DS}uDS使uGD=UGS(off)u_{GD}=U_{GS(off)}uGD=UGS(off)时,d-s之间预夹断。
③ 当uDSu_{DS}uDS使uGD<UGS(off)u_{GD}<U_{GS(off)}uGD<UGS(off)时,iDi_DiD几乎仅仅决定于uGSu_{GS}uGS,而与uDSu_{DS}uDS无关。此时可以把iDi_DiD近似看成uGSu_{GS}uGS控制的电流源。
④ 当uGS<UGS(off)u_{GS}<U_{GS(off)}uGS<UGS(off)时,管子截止,iD=0i_D=0iD=0

2、结型场效应管的特性曲线

(1)输出特性曲线
输出特性曲线描述当栅-源电压uGSu_{GS}uGS为常量时,漏极电流iDi_DiD与漏-源电压uDSu_{DS}uDS之间的函数关系,即iD=f(uDS)∣UGS=常数(1.4.2)i_D=f(u_{DS})\left.\right|_{U_{GS}=常数}\kern 93pt(1.4.2)iD=f(uDS)UGS=常数(1.4.2)对应于一个UGSU_{GS}UGS,就有一条曲线,因此输出特性为一族曲线,如图1.4.5所示。在这里插入图片描述场效应管有三个工作区域:
可变电阻区(也称非饱和区):图中的虚线为预夹断轨迹,它是各条曲线上使uDS=uGS−UGS(off)u_{DS}=u_{GS}-U_{GS(off)}uDS=uGSUGS(off)[即uGD=UGS(off)\pmb{u_{GD}=U_{GS(off)}}uGD=UGS(off)]的点连接而成的。uGSu_{GS}uGS愈大,预夹断时的uDSu_{DS}uDS值也愈大。预夹断轨道的左边区域称为可变电阻区,该区域中曲线近似为不同斜率的直线。当uGSu_{GS}uGS确定时,直线的斜率也唯一地被确定,直线斜率的导数即为d-s间等效电阻。因而在此区域中,可以通过改变uGSu_{GS}uGS的大小(即压控的方式)来改变漏-源等效电阻的阻值,也因此称之为可变电阻区。∣uGS∣\pmb{|u_{\scriptscriptstyle GS}|}uGS 愈大,其等效的电阻值也就越大
恒流区(也称饱和区):图中预夹断轨迹的右边区域为恒流区。当uDS>uGS−UGS(off)u_{DS}>u_{GS}-U_{GS(off)}uDS>uGSUGS(off)[即uGD<UGS(off)\pmb{u_{GD}<U_{GS(off)}}uGD<UGS(off)]时,各曲线近似为一族横轴的平行线。当uDSu_{DS}uDS增大时,iDi_DiD仅略有增大。因而可将iDi_DiD近似为电压uGSu_{GS}uGS控制的电流源,故称该区域为恒流区。利用场效应管做放大管时,应使其工作在该区域。
夹断区(也称截止区):当uGS<UGS(off)\pmb{u_{GS}<U_{GS(off)}}uGS<UGS(off)时,导电沟道被夹断,iD≈0i_D\approx0iD0,即图1.4.5中靠近横轴的部分,称为夹断区。一般将使iDi_DiD等于某一个很小电流(如5μA)时的uGSu_{GS}uGS定义为夹断电压UGS(off)U_{GS(off)}UGS(off)
另外,当uDSu_{DS}uDS增大到一定程度时,漏极电流会骤然增大,管子将被击穿。由于这种击穿是因栅-漏间耗尽层被破坏而造成的,因而若栅-源击穿电压为UBR(GD)U_{BR(GD)}UBR(GD),则漏-源击穿电压UBR(DS)=uGS−UBR(GD)U_{BR(DS)}=u_{GS}-U_{BR(GD)}UBR(DS)=uGSUBR(GD),所以当uGSu_{GS}uGS增大时,漏-源击穿电压将增大,如图1.4.5所示。
(2)转移特性
转移特性曲线描述当漏-源电压UDSU_{DS}UDS为常量时,漏极电流iDi_DiD与栅-源电压uGSu_{GS}uGS之间的函数关系,即iD=f(uGS)∣UDS=常数(1.4.3)i_D=f(u_{GS})\left.\right|_{U_{DS}=常数}\kern 94pt(1.4.3)iD=f(uGS)UDS=常数(1.4.3)当场效应管工作在恒流区时,由于输出特性曲线可近似为横轴的一组平行线,所以可以用一条转移特性曲线代替恒流区的所有曲线。在输出特性曲线的恒流区中做横轴的垂线,读出垂线与各曲线交点的坐标值,建立uGSu_{GS}uGSiDi_DiD坐标系,连接各点所得曲线就是转移特性曲线,见图1.4.6所示。可见转移特性曲线与输出特性曲线有严格的对应关系。在这里插入图片描述根据半导体物理中对场效应管内部载流子的分析可以得到恒流区中iDi_DiD的近似 表达式为iD=IDSS(1−uGSUGS(off))2(UGS(off)<uGS<0)(1.4.4)i_D=I_{DSS}\left.\right(1-\frac{u_{GS}}{U_{GS(off)}}\left.\right)^2\kern 10pt(U_{GS(off)}<u_{GS}<0)\kern 30pt(1.4.4)iD=IDSS(1UGS(off)uGS)2(UGS(off)<uGS<0)(1.4.4)式中IDSS\pmb{I_{DSS}}IDSSuGS=0u_{GS}=0uGS=0情况下产生预夹断时的IDI_DID,称为饱和漏极电流
当管子工作在可变电阻区时,对于不同的UDSU_{DS}UDS,转移特性曲线将有很大差别。
应当指出,为保证结型场效应管栅-源间的耗尽层加反向电压,对于N沟道管,uGS≤0Vu_{GS}\leq0VuGS0V;对于P沟道管,uGS≥0Vu_{GS}\geq0VuGS0V

二、绝缘栅型场效应管

绝缘栅型场效应管IGFET: Insulated Gate Field Effect Transistor)的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2SiO_2SiO2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管。它的栅-源间电阻比结型场效应管大得多,可达1010Ω10^{10}Ω1010Ω以上,还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单,而广泛用于大规模和超大规模集成电路中。
MOS管分为N沟道和P沟道两类,每一类又分为增强型和耗尽型两种,因此MOS管总共有四种类型:N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型P沟道耗尽型。栅-源电压uGSu_{GS}uGS为零时漏极电流也为零的管子为增强型管,栅-源电压uGSu_{GS}uGS为零时漏极电流不为零的管子为耗尽型管。

1、N沟道增强型MOS管

N沟道增强型MOS管结构示意图如图1.4.7(a)所示。它以一块低掺杂的P型硅片为衬底,利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+N^+N+区,并引出两个电极,分别为源极s和漏极d,半导体上制作一层SiO2SiO_2SiO2绝缘层,再在SiO2SiO_2SiO2之上制作一层金属铝,引出电极,作为栅极g。通常将衬底与源极接在一起使用。这样,栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘层,形成电容。当栅-源电压变化时,将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。MOS管与结型场效应管导电机理与电流控制的原理均不相同。
在这里插入图片描述图1.4.7(b)所示为N沟道和P沟道两种增强型的符号。
(1)工作原理
当栅-源之间不加电压时,漏源之间是两只背向的PN结,不存在导电沟道,因此即使漏-源之间加电压,也不会有漏极电流。
uDS=0u_{DS}=0uDS=0uGS>0u_{GS}>0uGS>0时,由于SiO2SiO_2SiO2的存在,栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷,它们排斥P型衬底靠近SiO2SiO_2SiO2一侧的空穴,使之剩下不能移动的负离子区,形成耗尽层,如图1.4.8(a)所示。当uGSu_{GS}uGS增大时,一方面耗尽层增宽,另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,形成一个N型薄层,称为反型层,如图1.4.8(b)所示。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)\pmb{U_{GS(th)}}UGS(th)uGSu_{GS}uGS愈大,反型层愈厚,导电沟道电阻愈小。在这里插入图片描述uGSu_{GS}uGS是大于UGS(th)U_{GS(th)}UGS(th)的一个确定值时,若在d-s之间加正向电压,则将产生一定的漏极电流。当uDSu_{DS}uDS较小时,uDSu_{DS}uDS的增大使iDi_DiD线性增大,沟道沿源-漏方向逐渐变窄,如图1.4.9(a)所示。一旦uDSu_{DS}uDS增大到使uGD=UGS(th)\pmb{u_{GD}=U_{GS(th)}}uGD=UGS(th)(即uDS=uGS−UGS(th)u_{DS}=u_{GS}-U_{GS(th)}uDS=uGSUGS(th))时,沟道在漏极一侧出现夹断点,称为预夹断,如图(b)所示。如果uDSu_{DS}uDS继续增大,夹断区随之延长,如图(ccc)所示。而且uDSu_{DS}uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。从外部看,iDi_DiD几乎不因uDSu_{DS}uDS的增大而变化,管子进入恒流区,iDi_DiD几乎仅取决于uGSu_{GS}uGS在这里插入图片描述uDS>uGS−UGS(th)u_{DS}>u_{GS}-U_{GS(th)}uDS>uGSUGS(th)时,对应于每一个uGSu_{GS}uGS就有一个确定的iDi_DiD。此时,可将iDi_DiD视为电压uGSu_{GS}uGS控制的电流源。
(2)特性曲线与电流方程
图1.4.10(a)、(b)分别为N沟道增强型MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线,它们之间的关系见图中标注。MOS管也有三个工作区域:可变电阻区恒流区夹断区,如图中标注。在这里插入图片描述iDi_DiDuGSu_{GS}uGS的近似关系式为iD=IDO(uGSUGS(th)−1)2(1.4.5)i_D=I_{DO}\left.\right(\frac{u_{GS}}{U_{GS(th)}}-1\left.\right)^2\kern 70pt(1.4.5)iD=IDO(UGS(th)uGS1)2(1.4.5)式中IDOI_{DO}IDOuGS=2UGS(th)u_{GS}=2U_{GS(th)}uGS=2UGS(th)时的iDi_DiD

2、N沟道耗尽型MOS管

如果在制造MOS管时,在SiO2SiO_2SiO2绝缘层中掺入大量正离子,那么即使uGS=0u_{GS}=0uGS=0,在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层,即漏-源之间存在导电沟道。只要在漏-源之间加正向电压,就会产生漏极电流,如图1.4.11(a)所示。并且,uGSu_{GS}uGS为正时,反型层变宽,沟道电阻变小,iDi_DiD增大;反之,uGSu_{GS}uGS为负时,反型层变窄,沟道电阻变大,iDi_DiD减小。而当uGSu_{GS}uGS从零减小到一定值时,反型层消失,漏-源之间导电沟道消失,iD=0i_D=0iD=0。此时的uGSu_{GS}uGS称为夹断电压UGS(off)U_{GS(off)}UGS(off)。与N沟道结型场效应管相同,N沟道耗尽型MOS管的夹断电压也为负值。但是,前者只能在uGS<0u_{GS}<0uGS<0的情况下工作,而后者的uGSu_{GS}uGS可以在正、负值的一定范围内对iDi_DiD控制,且仍保持栅-源间有非常大的绝缘电阻。耗尽层的MOS管符号见图1.4.11(b)所示。在这里插入图片描述

3、P沟道MOS管

与N沟道MOS管相对应,P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0U_{GS(th)}<0UGS(th)<0,当uGS<UGS(th)u_{GS}<U_{GS(th)}uGS<UGS(th)时管子才导通,漏-源之间应加负电源电压,电流从源极流向漏极;P沟道耗尽型MOS管的夹断电压UGS(off)>0U_{GS(off)}>0UGS(off)>0uGSu_{GS}uGS可在正负值的一定范围内实现对iDi_DiD的控制,漏-源之间也应加负电压。

4、VMOS管

当MOS管工作在恒流区时,管子的耗散功率主要消耗在漏极一端的夹断区上,并且由于漏极所连接的区域(称为漏区)不大,无法散发很多的热量,所以MOS管不能承受较大功率。VMOS管从结构上较好地解决了散热问题,故可制成大功率管,图1.4.12所示为N沟道增强型VMOS管的结构示意图。在这里插入图片描述VMOS以高掺杂N+N^+N+区为衬底,上面外延低掺杂N区,共同作为漏区,引出漏极。在外延层N区上又形成一层P区,并在P区之上制成高掺杂的N+N^+N+区。从上面俯视VMOS管P区与N+N^+N+区,可以看到它们均为环状区,所引出的电极为源极。中间是腐蚀而成的V型槽,其上生长一层绝缘层,并覆盖上一层金属,作为栅极。VMOS管因存在V型槽而得名。
在栅-源电压uGSu_{GS}uGS大于开启电压UGS(th)U_{GS(th)}UGS(th)时,在P区靠近V型槽氧化层表面所形成的反型层与下边N区相接,形成垂直的导电沟道,见图1.4.12所标注。当漏-源间加正向电源时,自由电子将沿沟道从源极向N型外延层、N+N^+N+区衬底到漏极,形成从漏极到源极的电流iDi_DiD
VMOS管的漏区散热面积大,便于安装散热器,耗散功率最大可达千瓦以上;此外,其漏-源击穿电压高,上限工作频率高,而且当电流大于某值(如500mA)时,iDi_DiDuGSu_{GS}uGS基本成线性关系。

5、场效应管的符号及特性曲线

场效应管的符号及特性如图1.4.13所示。
在这里插入图片描述
应当注意的是,如果MOS管的衬底不与源极相连接,则衬-源之间电压UBSU_{BS}UBS必须保证衬-源间的PN结反向偏置,因此,N沟道管的UBSU_{BS}UBS应小于零,而P沟道管的UBSU_{BS}UBS应大于零。此时导电沟道宽度将受uGSu_{GS}uGSUBSU_{BS}UBS双重控制,UBSU_{BS}UBS使开启电压或夹断电压的数值增大。比较而言,N沟道受UBSU_{BS}UBS的影响更大些。

三、场效应管的主要参数

1、直流参数

(1)开启电压UGS(th)\pmb{U_{GS(th)}}UGS(th)UGS(th)U_{GS(th)}UGS(th)是在UDSU_{DS}UDS为一常量时,使iDi_DiD大于零所需的最小∣uGS∣|u_{GS}|uGS值。手册中给出的是在iDi_DiD为规定的微小电流(如5μA)时的uGSu_{GS}uGSUGS(th)U_{GS(th)}UGS(th)是增强型MOS管的参数。
(2)夹断电压UGS(off)\pmb{U_{GS(off)}}UGS(off):与UGS(th)U_{GS(th)}UGS(th)相类似,UGS(off)U_{GS(off)}UGS(off)是在uDSu_{DS}uDS为常量情况下iDi_DiD为规定的微小电流(如5μA)时的uGSu_{GS}uGS,它是结型场效应管和耗尽型MOS管的参数。
(3)饱和漏极电流IDSS\pmb{I_{DSS}}IDSS:对于结型场效应管,在uGS=0Vu_{GS}=0VuGS=0V情况下产生预夹断时的漏极电流定义为IDSSI_{DSS}IDSS
(4)直流输入电阻RGS(DC)\pmb{R_{GS(DC)}}RGS(DC)RGS(DC)R_{GS(DC)}RGS(DC)等于栅-源电压与栅极电流之比,结型管的RGS(DC)R_{GS(DC)}RGS(DC)大于107Ω10^7Ω107Ω,而MOS管的RGS(DC)R_{GS(DC)}RGS(DC)大于109Ω10^9Ω109Ω。手册中一般只给出栅极电流的大小。

2、交流参数

(1)低频跨导gm\pmb{g_m}gmgmg_mgm数值的大小表示uGSu_{GS}uGSiDi_DiD控制作用的强弱。在管子工作在恒流区且uDSu_{DS}uDS为常量的条件下,iDi_DiD的微小变化量ΔiD\Delta i_DΔiD与引起它变化的ΔuGS\Delta u_{GS}ΔuGS之比,称为低频跨导。即gm=ΔiDΔuGS∣UDS=常数(1.4.6)g_m=\frac{\Delta i_D}{\Delta u_{GS}}\left.\right|_{U_{DS}=常数}\kern 60pt(1.4.6)gm=ΔuGSΔiDUDS=常数(1.4.6)gmg_mgm的单位是S(西门子)或mS。gmg_mgm是转移特性曲线上某一点切线的斜率,可通过对式(1.4.4)或(1.4.5)求导而得。gmg_mgm与切点的位置密切相关,由于转移特性曲线的非线性,因而iD\pmb{i_D}iD愈大gm\pmb{g_m}gm也愈大
(2)极间电容:场效应管的三个极之间均存在极间电容。通常,栅-源电容CgsC_{gs}Cgs和栅-漏电容CgdC_{gd}Cgd约为1~3pF,而漏-源电容CdsC_{ds}Cds约为 0.1~1pF。在高频电路中,应考虑极间电容的影响。管子的最高工作频率fMf_MfM是综合考虑了三个极间电容的影响而确定的工作频率的上限值。

3、极限参数

(1)最大漏极电流IDM\pmb{I_{DM}}IDMIDMI_{DM}IDM是管子正常工作时漏极电流的上限值。
(2)击穿电压:管子进入恒流区后,使iDi_DiD骤然增大的uDSu_{DS}uDS称为漏-源击穿电压U(BR)DSU_{(BR)DS}U(BR)DSuDSu_{DS}uDS超过此值会使管子损坏。
对于结型场效应管,使栅极与沟道间PN结反向击穿的uGSu_{GS}uGS为栅-源击穿电压U(BR)GSU_{(BR)GS}U(BR)GS;对于绝缘栅型场效应管,使绝缘层击穿的uGSu_{GS}uGS为栅-源击穿电压U(BR)GSU_{(BR)GS}U(BR)GS
(3)最大耗散功率PDM\pmb{P_{DM}}PDMPDMP_{DM}PDM决定于管子允许的温升。PDMP_{DM}PDM确定后,便可在管子的输出特性上画出临界最大功耗线;再根据IDMI_{DM}IDMU(BR)DSU_{(BR)DS}U(BR)DS,便可得到管子的安全工作区。
对于MOS管,栅-衬之间的电容容量很小,只要有少量的感应电荷就可以产生很高的电压。而由于RGS(DC)R_{GS(DC)}RGS(DC)很大,感应电荷难以释放,以至于感应电荷所产生的高压会使很薄的绝缘层击穿,造成管子的损坏。因此,无论是在存放还是在工作电路中,都应为栅-源之间提供直流通路,避免栅极悬空;同时在焊接时,要将电烙铁良好接地。

例1.4.1】已知某管子的输出特性曲线如图1.4.14所示。试分析该管是什么类型的场效应管(结型、绝缘栅型、N沟道、P沟道、增强型、耗尽型)。
解:iDi_DiDuDSu_{DS}uDSuGSu_{GS}uGS的极性可知,该管为N沟道管;从输出特性曲线中开启电压UGS(th)=4V>0VU_{GS(th)}=4V>0VUGS(th)=4V>0V可知,该管为增强型MOS管;所以,该管为N沟道增强型MOS管。
例1.4.2】电路如图1.4.15所示,其中管子T的输出特性曲线如图1.4.14所示。试分析uIu_IuI为0V、8V和10V三种情况下uOu_OuO分别为多少?在这里插入图片描述解:uGS=uI=0Vu_{GS}=u_I=0VuGS=uI=0V时,管子处于夹断状态,因而iD=0i_D=0iD=0。而uO=uDS=VDD−iDRd=VDD=15Vu_O=u_{DS}=V_{DD}-i_DR_d=V_{DD}=15VuO=uDS=VDDiDRd=VDD=15V
uGS=uI=8Vu_{GS}=u_I=8VuGS=uI=8V时,设管子工作在恒流区,则iD=1mAi_D=1mAiD=1mA,因此uO=uDS=VDD−iDRd=(15−1×5)V=10Vu_O=u_{DS}=V_{DD}-i_DR_d=(15-1\times5)V=10VuO=uDS=VDDiDRd=(151×5)V=10V大于uGS−UGS(th)=(8−4)V=4Vu_{GS}-U_{GS(th)}=(8-4)V=4VuGSUGS(th)=(84)V=4V,说明假设成立,管子工作在恒流区。
uGS=uI=10Vu_{GS}=u_I=10VuGS=uI=10V时,假设管子工作在恒流区,则iDi_DiD约为2.2mA2.2mA2.2mA,因而uO=(15−2.2×5)V=4Vu_O=(15-2.2\times5)V=4VuO=(152.2×5)V=4V。而uGS=10Vu_{GS}=10VuGS=10V时的预夹断电压为uDS=uGS−UGS(th)=(10−4)=6Vu_{DS}=u_{GS}-U_{GS(th)}=(10-4)=6VuDS=uGSUGS(th)=(104)=6VuDSu_{DS}uDS小于d-s在uGS=10Vu_{GS}=10VuGS=10V时的预夹断电压,说明管子已不工作在恒流区,而是工作在可变电阻区。从输出特性曲线可得uGS=10Vu_{GS}=10VuGS=10V时d-s间的等效电阻为RDS=UDS/ID≈(31×10−3)Ω=3kΩR_{DS}=U_{DS}/I_D\approx(\frac{3}{1\times10^{-3}})Ω=3\kern 2ptkΩRDS=UDS/ID(1×1033)Ω=3kΩ所以uO=RDSRd+RDS⋅VDD≈5.6Vu_O=\frac{R_{DS}}{R_d+R_{DS}}\cdot V_{DD}\approx5.6VuO=Rd+RDSRDSVDD5.6V
例1.4.3】电路如图1.4.16所示,场效应管的夹断电压UGS(off)=−4VU_{GS(off)}=-4VUGS(off)=4V,饱和漏极电流IDSS=4mAI_{DSS}=4mAIDSS=4mA。试问:
为保证负载电阻RLR_LRL上的电流为恒流,RLR_LRL的取值范围应为多少?在这里插入图片描述解: 从电路图可知,uGS=0Vu_{GS}=0VuGS=0V,因而iD=IDSS=4mAi_D=I_{DSS}=4\kern 2ptmAiD=IDSS=4mA。并且uGS=0Vu_{GS}=0VuGS=0V时的预夹断电压uDS=uGS−UGS(off)=[0−(−4)]V=4Vu_{DS}=u_{GS}-U_{GS(off)}=[0-(-4)]V=4VuDS=uGSUGS(off)=[0(4)]V=4V,而uDS=VDD−iDRLu_{DS}=V_{DD}-i_DR_LuDS=VDDiDRL所以保证RLR_LRL为恒流的最大输出电压Uomax=(VDD−4)V=8VU_{omax}=(V_{DD}-4)V=8VUomax=(VDD4)V=8V,输出电压范围为0~8V,负载电阻RLR_LRL的取值范围为RL=UOIDSS=0∼2kΩR_L=\frac{U_O}{I_{DSS}}=0 \sim 2\kern 2ptkΩRL=IDSSUO=02kΩ

四、场效应管与晶体管的比较

场效应管的栅极g、源极s、漏极d对应于晶体管的基极b、发射极e、集电极c,它们的作用相类似。
(1)场效应管用栅-源电压uGSu_{GS}uGS控制漏极电流iDi_DiD,栅极基本不取电流。而晶体管工作时基极总要索取一定的电流。因此,要求输入电阻高的电路应选用场效应管;而若信号源可以提供一定的电流,则可选用晶体管。
(2)场效应管只有多子参与导电。晶体管内即有多子又有少子参与导电,而少子数目受温度、辐射等因素影响较大,因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。所以在环境条件变化很大的情况下应选用场效应管。
(3)场效应管的噪声系数很小,所以低噪声放大器的输入级及要求信噪比较高的电路应选用场效应管。当然也可选用特制的低噪声晶体管。
(4)场效应管的漏极与源极可以互换使用,互换后特性变化不大。而晶体管的发射极与集电极互换后特性差异很大,因此只在特殊需要时才互换。
(5)场效应管比晶体管的种类多,特别是耗尽型MOS管,栅-源电压uGSu_{GS}uGS可正、可负、可零,均能控制漏极电流。因而在组成电路时场效应管比晶体管更灵活。
(6)场效应管和晶体管均可用于放大电路和开关电路,它们构成了品种繁多的集成电路。但由于场效应管集成工艺更简单,且具备耗电省、工作电源电压范围宽等优点,因此场效应管越来越多地应用于大规模和超大规模集成电路中。

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