1、场效应管的原理和基础知识 (2007-12-25 17:29) 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
2、 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
3、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
4、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 10-910-12 之间;对于 MOS 而言 IG 一般小
5、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
6、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
7、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.
