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场效应管的原理和基础知识

www.isalep.com 2012/12/6 14:29:17 来源:互联网 电力电子论坛|免费发布产品

  基本概念

  场效应管是一种受电场控制的半导体器件(普通三极管的工作是受电流控制的器件).场效应管应具有高输入阻抗,较好的热稳定性、抗辐射性和较低的噪声.对夹断电压适中的场效应管,可以找到一个几乎不受温度影响的零温度系数工作点,利用这一特性,可使电路的温度稳定性达到最佳状态.电子电路中常用场效应管作放大电路的缓冲级、模拟开关和恒流源电路.

  场效应管按结构可分为结型场效应管(缩写为JFET)和绝缘栅场效应管(缩写为JGFET),从导电方式看,场效应管分为N型沟道型与P型沟道型.绝缘栅型场效应管有增强型和耗尽型两种,而JFET只有耗尽型.

  一、基本结构

  场效应管是利用改变电场来控制半导体材料的导电特性,不是像三极管那样用电流控制PN结的电流.因此,场效应管可以工作在极高的频率和较大的功率.此外,场效应管的制作工艺简单,是集成电路的基本单元.

  场效应管有结型和绝缘栅型两种主要类型.每种类型的场效应管都有栅极g、源极s和漏极d三个工作电极,同时,每种类型的场效应管都有N沟道和P沟道两种导电结构.

  绝缘栅型场效应管又叫做MOS管.根据在外加电压Vgs=0时是否存在导电沟道,绝缘栅场效应管又可分为上增强型和耗尽型.增强型MOS管在外加电压Vgs=0时不存在导电沟道,而耗尽型MOS的氧化绝缘层中加入了大量的正离子,即使在Vgs=0时也存在导电沟道.

  

  N沟道绝缘栅型

  g为栅极,s为源极,d为漏极,B衬底

  

  结型场效应管的结构与绝缘栅场效应管的结构基本相同,主要的区别在于栅极g与通道半导体之间没有绝缘.

  

  N沟道和P沟道结型

  从场效应管的基本结构可以看出,无论是绝缘栅型还是结型,场效应管都是两个背靠背的PN结.电流通路不是由PN结形成的,而是依靠漏极d和源极s之间半导体的导电状态来决定的.

  二、电路符号

  

  基本参数

  场效应管的主要技术参数,可分为直流参数和交流参数两大类.

  一、夹断电压VP和开启电压VT

  一般是对结型管而言,当栅源之间的反向电压VGS增加到一定数以后,不管漏源电压VDS大小都不存在漏电流ID.这个使ID开始为零的电压叫作管子的夹断电压.VT一般是对MOS管而言,表示开始出现ID时的栅源电压值.对N沟道增强型、P沟道耗尽型VT为正值,对N沟道耗尽型、P沟道增强型VT为负值.

  二、饱和漏电流IDSS

  当VDS=0而VDS足够大时,漏电流的饱和值,就是管子的饱和漏电流,常用符号IDSS表示.

  三、栅极电流IG

  当栅极加上一定的反向电压时,会有极小的栅极电流,用符号IG表示.对结型场效应管,IG在10-9~10-12之间;对于MOS而言IG一般小于10-12安.正是由于栅极电流极小,所以场效应管具有极高的阻抗.

  四、通导电阻RON

  五、截止漏电流

  六、跨导gm

  七、漏源动态电阻rDS

  基本特性

  一、转移特性和输出特性

  工程应用中最常用的是共源极电路的输入和输出关系曲线,场效应管的共源极连接是把源极s作为公共端、栅极g作为输入端、漏极d作为输出端.由于共源极场效应管的输入电流几乎为零,因此,其输入曲线反映的是栅极电压Vg与漏极电流Id的关系,叫做转移特性.反映d-s间电压与Id之间关系的叫做输出曲线.

  

  

  场效应管共源极电路转移特性曲线和输出特性曲线

  场效应管输出特性有可变电阻(也叫夹断区)、放大(也叫恒流区)、截止区和击穿区四个工作区.这与三极管的饱和、截止、放大和击穿相似.

  二、截止与电阻导通特性

  场效应管d-s间不导通状态叫做截止,此时Id接近0,场效应管没有电流传导的能力,相当于开关断开.产生截止现象的原因,是此时场效应管没有形成导电沟道.

  场效应管输出特性曲线中,Vds与Id之间呈线性关系的区域叫做电阻区,二者之间的关系可近似为

  Vds=RonId

  其中Ron为导通电阻,一般都很小.在电阻区,场效应管的d-s之间近似为一个不变电阻.

  无论是在电阻区还是截止区,场效应管的电流控制能力很微弱,这是在应用设计中必须十分注意的问题.在设计模拟信号电路时,一定要使电路工作在场效应管的放大区,避免进入电阻区和截止区.在设计开关电路时,要使电路能很快地在电阻和截止状态之间转换,避免进入放大区.

  使用场效应管时,应当注意以下几个问题:

  (1)为了防止栅极击穿,要求一切测试仪器、电路本身、电烙铁都必须良好接地.焊接时,用小功率烙铁迅速焊接,或拔去电源用余热焊接,并应先焊源极,后焊栅极.

  (2)MOS场效应管输送阻抗较高,故在不使用时,必须将引出线短路,以防感应电势将栅极击穿,JFET则不可短路.

  (3)要求高输入阻抗的线路,须采取防潮措施,以免使输入阻抗显著降低.

  (4)MOS场效应管栅极有的可加正压或负压,而常用的结型场效应管因是N沟道耗尽型,栅极只能加负压.

  (5)场效应管的漏极和源极通常制成对称的,除源极和衬底制造时连在一起的管子外,漏极和源极可互换使用

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