模拟电子电路基础--场效应管

    场效应管,是电压控制器件,不吸收信号源电流,不消耗信号源功率,输入阻抗高,温度特性好,抗干扰能力强,便于集成。
    JFET利用耗尽区的宽度改变导电沟道的宽窄来控制漏极电流;MOSFET则利用半导体表面的电场效应,由感应电荷的多少改变导电沟道来控制电流。
一、结型场效应管(JFET)


1.1 结型场效应管的分类
    N沟道,P沟道

1.2 结型场效应管的工作原理(N沟道)
    加上反向电压UDS,则源极和漏极之间形成电流ID,通过改变UGS,就可以改变两个PN结阻挡层的宽度,这样就改变了沟道电阻,于是改变了漏极电流ID。


    (1)栅源间电压VGS对ID的控制


    绿色部分为耗尽层,当漏源间短路,栅源间外加负向电压VGS时,结型场效应管中的两个PN结均处反偏状态。如图(b)所示。
    随着VGS负向增大,加在PN结上的反向偏置电压增大,则耗尽层加宽。由于N沟道掺杂浓度较低,故耗尽层主要集中在沟道一侧。耗尽层加宽,使得沟道变窄,沟道电阻增大,如图(b)所示。
  当VGS负向增大到某一值后,结两侧的耗尽层向内扩展到彼此相遇,沟道被完全夹断,此时漏源间的电阻将趋于无穷大,如图(c)所示。相应于此时的漏源间电压VGS称为夹断电压,用VGS(off)表示。
    (2)漏源电压VDS对沟道的影响


    当VGS>VGS(off)且为某一定值,如果在漏源间加上正向电压VDS,VDS将在沟道中产生自漏极指向源极的电场,该电场使得N沟道中的多数载流子电子沿着沟道从源极漂移到漏极形成漏极电流ID。
    由于导电沟道存在电阻,ID流经沟道产生压降,使得沟道中各点的电位不再相等,结果使耗尽区从漏极到源极逐渐变窄,呈楔形分布,如图(a)所示。
    随着VDS的增大,ID增大,沟道不等宽的现象变得明显,当VDS增大到某一值时,近漏端的两个耗尽区相遇,这种情况称为预夹断,如图(b)所示。
    继续增大VDS,夹断点将向源极方向延伸,近漏端出现夹断区,如图(c)所示。
    由于栅极到夹断点A之间的反向电压VGA不变,恒为VGS(off),因此夹断点到源极之间的电压也就恒为VGS-VGS(off),而VDS的增加部分将全部加在漏极与夹断点之间的夹断区上,形成较强的电场。在这种情况下,从漏极向夹断点行进的多子自由电子,一旦到达夹断点就会被夹断区的电场漂移到漏极,形成漏极电流。
    一般情况下,夹断区仅占沟道长度的很小部分,因此VDS的增大而引起夹断点的移动可忽略,夹断点到源极间的沟道长度可以认为近似不变,同时,夹断点到源极间的电压又为一定值,所以可近似认为ID是不随VDS而变化的恒值。

1.3 结型场效应管的特性曲线


二、绝缘栅型场效应管(MOSFET)


2.1 绝缘栅型场效应管的分类
    N沟道,P沟道,增强型,耗尽型

2.2 增强型MOS场效应管的工作原理(N沟道)


2.2 增强型MOS场效应管的输出特性曲线(N沟道)

    VGS(th) 是DS短接时,MOS管形成导电沟道的开启电压

    (1)可变电阻区
    条件:VGS>VGS(th) ,VDS<VGS–VGS(th)


    W、l 为沟道的宽度和长度,COX为单位面积的栅极电容量。
    此时MOS管可看成阻值受VGS控制的线性电阻器。

    (2)饱和区
    条件:VGS>VGS(th) ,VDS>VGS–VGS(th)


    ID只受VGS控制,而与VDS几乎无关,表现为压控电流源特性。

    (3)截止区
    条件:VGS<VGS(th) ,即沟道未形成时的工作区
    ID=0,MOS管断开

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