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场效应管工作原理

时间:2008-12-16 21:36:10

 场效应晶体管原理 Field Effect Transistor
特点:
a) 单一载体组件 (UNIPOLAR)(空穴或电子)。
b) 高输入阻抗 (MΩ→100MΩ )–减低负载效应。
c) 体积小–高包装密度,产品微型化。
d) 多用途–电阻,电容,开关,放大。
e) 高扇出数 (FAN OUT)。
f) 低信号噪声 (NOISE)。
g) 电压控制组件。
缺点:
a) 增益频宽乘积差(高频响应差)–( GAIN BANDWIDTH PRODUCT )–AV´BW
b) 操作速度较慢–数字式。
 
FET的类型识别:
FET可根据其闸极构造,工作形式及沟道划分为六个不同类型:


接面型FET—闸极与沟道为PN接面。
 
金属氧化物FET—闸极与沟道被金属气化绝缘体所分隔。
空乏式(也称:耗尽型)—当Vgs增加,漏极电流ID减少。
增强式—当Vgs增加,漏极电流ID增加。
N沟道 — 在沟道上电子为载流子。
P沟道 — 在沟道上电洞为载流子。
 
FET 之电路符号  (N沟道及P沟道):
 
I 接面型JFET:

 
II 空乏型MOSFET:
场效应管工作原理
 
III  增强型MOSFET:

 
a) 因全部JFET皆为空乏型,故不会称做空乏型JFET。
b) 所有N沟道FET之箭头皆指向沟道,P沟道则背向沟道。
c) 所有空乏型FET之沟道皆为连接线,增强型用断线。
d) JFET之闸极GATE与沟道连接,MOSFET之闸极与沟道分隔开。
 
[!--empirenews.page--]I 接面型场效应管构造及特性[/!--empirenews.page--]I  接面型场效应管构造及特性:
Junction FET,简称为JFET,它可分P沟道及N沟道,以下以N沟道为例子,


而P沟道只需作部份修改。
 
S源极Source是多数载流子流入沟道的端点,流出(流入)源极的电流称为IS。
 
D漏极Drain是多数载流子流出沟道的端点,流入(流出)漏极的电流称为ID。
 
G闸极Gate位于沟道的两侧,通常以合金或扩散方法以形成PN接面,此与沟道极性相反的杂质区域称为闸极。
 
沟道Channel夹在闸极之间,使多数载流子能够通过由源极流向漏极。
  
[!--empirenews.page--]基本工作原理[/!--empirenews.page--]基本工作原理
于闸极及源极之间的电压称为VGS,通常使PN接面处于反向偏压,此反向电压之大小可以改变空乏区的宽度,而影响沟道的阔窄,
即利用VGS所产生的电场来控制电流多少。
 

空乏区受偏压VGS影响的几种情况 (N沟道为例) :
a) 当VGS = 0V,ID = IDSS。
VDD正端经过负载接到漏极,而VDD负端接到源极与门极,使沟道与闸极接面之反向电压产生空乏区域,由于电位差使空乏区在靠近着漏极的区域会向沟道伸延。
 
b) 当VGS = VGS,ID受VGS影响。
偏压VGS使PN接面之反向电压增加,迫使空乏区域向沟道伸延较多,使流过负载及沟道之电流减少。
 
c) 当VGS = VP,ID 刚等于零。
若增加在闸极之反向电压,直至空乏区非常靠近使沟道关闭,这时VGS的电压被称为夹断电压VP (Pinch Off Voltage),此时没有电流流经负载及沟道。
 
d) 当VGS > VP,ID = OA。
当VGS继续增加,使空乏区继续靠近至完全闭合,这时ID完全等于零,这种状态也称为夹断。
 
结论:
JFET借在空乏区模式下工作,我们控制VGS使空乏区产生不同变化及影响ID,此外,ID更受VDS影响,我们可从漏极曲线知ID与VDS之关系。
FET 的特性曲线:
测试电路 (共源极) :

a) 漏极特性曲线 (或输出特性曲线) :

此曲线是表示在VGS固定时,VDS与ID关系
 
上图是VGS = 0V时的漏极特性曲线,从图中可见ID并非与VDS比例上升,其上升变化大致可分为三个区域:
i) 电阻区:VDS上升,ID按比例上升。
ii) 饱和区:VDS上升,ID不上升 (或轻微上升)。
iii) 击穿区:VDS上升,ID急速上升。
VDS(P) 为VGS电压固定时VDS的夹断电压值。838电子
 
一组不同VGS下得出之漏极特性曲线。
 

b) 转移特性曲线:

 
此曲线是表示VDS固定时,ID对VGS之关系
 
由于饱和区域内VDS对ID影响很小,所以FET之转移特性大致可由一曲线表示,
而分为:
i)  线性区。
ii) 非线性区。
 
定义:
 
a) 夹断电压 (VP) Pinch Off Voltage
当ID减至零时的VGS电压。
 

 
b) 饱和漏极电流 (IDSS) :
当VGS等于零时的漏极电流ID。
                      
 
c) 互导 (gm) :
当VDS保持固定,ID与VGS的变化比例,即转移特性曲线图线性区内的斜率, FET的增益多用它来表示,而单位可采用A/V或S。
 



d) 漏极电阻 (rd)又称输出阻抗。
当VGS保侍固定,为VDS变化与ID变化的关系:



DS与IDSS,VP,VGS的互相关系,可由下列公式表示:
 

 
 
例:当VP = - 4V,IDSS = 8.4mA。
1) 当VGS = 0V,求IDS。
2) 当VGS = - 1V,求IDS。      
3) 当VGS = - 2V,求IDS。
4) 当VGS = - 3V,求IDS。   
5) 当VGS = - 4V,求IDS。

 
 

晶体三极管与场效应晶体管之比较

- 晶体三极管BJT 场效应晶体管FET
电极 基极Base
集极Collector
射极Emitter

闸极Gate
漏极Drain
源极Source

载流子 双载流子穿过接面

单一载子在沟道中

噪声 FET
有撞击(散粒子)噪声
BJT
类似一支可变电阻
输入阻抗 共基极<100Ω
共集极 约为βRe
共射极 约为1 kΩ
 

共闸极
共漏极
共源极
 

BE极导通电压约0.7V 至少 >1MΩ
通常为10MΩ100MΩ
GS极通常反向偏压
输入 利用电流IB
为电流控制组件
利用电压VGS
为电压控制组件
输出 输出电流ICIE
视乎接法及IB电流
通常ID接近等于IS
放大特性 通常以直流放大系数β及交流小信号
表示:
通常以互导gm表示


 
 
[!--empirenews.page--]工作原理(N沟道):[/!--empirenews.page--]工作原理(N沟道):
 
空乏型MOSFET的S和D极间,用D和S极扩散所用的同一型杂质,再扩散出一个沟道,如果G极电压是负的,就会在沟道内感应出正电荷来。由于场效应管是由多数载体形成的,感应出之正电荷会使沟道之导电性变小。
 
MOSFET与JFET最主要的不同是我们可用G极电压于负或正,却仍然具有闸极电流为零 (IG = 0) 的特性,因为空乏型MOSFET也可以在增强模式下操作,只需要加正的G极电压以便将负的电荷感应到N 型沟道内,如此沟道之导电性就会增加。
a) MOSFET之漏极特性曲线:
 

b) MOSFET之转移特性曲线:
 
 
使用MOSFET可以低噪声,有更高的输入阻抗(约1010至1015Ω),它可以替代空乏型JFET。
 
 
[!--empirenews.page--]工作原理(N沟道):[/!--empirenews.page--]工作原理(N沟道):
这类MOSFET场效应管的内部基本结构与空乏型相似,但基底扩展至二氧化硅(Si O2)绝缘层,使源极S和漏极D之间不再有小沟道存在。
 
这也是纯增强型MOSFET和纯空乏型MOSFET分别。
纯空乏型 (有沟道存在)为常开式Normally ON。
纯增强型 (无沟道存在)为常关式Normally OFF。
 
要使纯增强型由关转为开,必须在闸极供应足够的正电压,而负电荷感应而产生建立一条沟道,它从源极伸展到漏极。
 
闸极上的正电压产生负电 (N沟道),换言之,正闸极电压增加,则增加沟道的导电性,在源极与漏极间可以流通更大电流。

 
       转移特性曲线     漏极特性曲线
定义:
临界电压 (VT) Threshold Voltage又称为开启电压,是刚足够使沟道形成的闸极与基底间的电压,而基底在制造时巳连接于源极,所以VGS >VT时,沟道形成。
                                       VGS <VT时,沟道消失。
从图中可见,VGS 约为4V时才开始有ID,因此临界电压VT约为4V,或用VT = 4V
 
互导gm:
VDS固定时,ID与VGS的变化比例。

 
输出阻抗rd:
VGS固定时,VDS与ID的变化比例。

 
总结:
a) MOSFET的输入阻抗Rin与晶体管比较为无限大,甚至比JFET还大,因为它那金属氧化物使它与闸极绝缘。
b) 噪声方面也比晶体管少,因为只有单一载流子在沟道流动。
c) P沟道与N沟道的构造也一样,袛是P与N刚相反,正与负也刚相反。
d) 由于这氧化金属非常薄。存在闸极与沟道上,所以对高电压非常敏感,很容易被静电击穿,为了要保护而又不会影响其特性,其中一个方法为装置静电保护。
静电保护:
为防止静电将分隔闸极与基底之二氧化硅绝缘层(金属氧化物)击穿。
因此,部份MOSFET在闸极与源极间加上两粒然纳二极管Zener Diode,
将闸极电压限制在 ±VZ之内,以免绝缘层击穿。

 

下节: 场效应三极管放大电路

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