1.什么叫场效应管?
fffect transistor的缩写,即为场效应晶体管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为。
双极型晶体管,而fet仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。fet应用范围很广,但不能说现在普及的双极。
型晶体管都可以用fet替代。然而,由于fet的特性与双极型晶体管的特性完全不同,能构成技术性能非常好的电路。
2. 场效应管的特征:
a) jfet的概念图。
b) jfet的符号。
图1 jfet的概念图、符号。
图1(b)门极的箭头指向为p指向 n方向,分别表示内向为n沟道jfet,外向为p沟道jfet。
图1(a)表示n沟道jfet的特性例。以此图为基础看看jfet的电气特性的特点。
首先,门极-源极间电压以0v时考虑(vgs =0)。在此状态下漏极-源极间电压vds 从0v增加,漏电流id几乎与vds 成比例增加,将此区域称为非饱和区。vds 达到某值以上漏电流id 的变化变小,几乎达到一定值。
此时的id 称为饱和漏电流(有时也称漏电流用idss 表示。与此idss 对应的vds 称为夹断电压vp ,此区域称为饱和区。
其次在漏极-源极间加一定的电压vds (例如0.8v),vgs 值从0开始向负方向增加,id 的值从idss 开始慢慢地减少,对某vgs 值id =0。将此时的vgs 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压,用vgs (off)示。
n沟道jfet的情况则vgs (off) 值带有负的符号,测量实际的jfet对应id =0的vgs 因为很困难,在放大器使用的小信号jfet时,将达到id =0.1-10μa 的vgs 定义为vgs (off) 的情况多些。 关于jfet为什么表示这样的特性,用图作以下简单的说明。
jfet的工作原理用一句话说,就是"漏极-源极间流经沟道的id ,用以门极与沟道间的pn结形成的反偏的门极电压控制id "。更正确地说,id 流经通路的宽度,即沟道截面积,它是由pn结反偏的变化,产生耗尽层扩展变化控制的缘故。
在vgs =0的非饱和区域,图10.4.1(a)表示的过渡层的扩展因为不很大,根据漏极-源极间所加vds的电场,源极区域的某些电子被漏极拉去,即从漏极向源极有电流id 流动。
达到饱和区域如图10.4.2(a)所示,从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型,id饱和。
将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡,并不是电流被切断。
在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动,在理想状态下几乎具有绝缘特性,通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场,实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近,由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。
如图10.4.1(b)所示的那样,即便再增加vds ,因漂移电场的强度几乎不变产生id 的饱和现象。
其次,如图10.4.2(c)所示,vgs 向负的方向变化,让vgs =vgs (off) ,此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。
而且vds 的电场大部分加到过渡层上,将电子拉向漂移方向的电场,只有靠近源极的很短部分,这更使电流不能流通。
3.场效应管的分类和结构:
fet根据门极结构分为如下两大类。其结构如图3所示:
面结型fet(简化为jfet门极绝缘型fet(简化为mos fet)
图3. fet的结构。
各种结构的fet均有门极、源极、漏极3个端子,将这些与双极性晶体管的各端子对应如表1所示。
fet双极性晶体管。
漏极集电极。
门极基极。源极发射极。
jfet是由漏极与源极间形成电流通道(channel)的p型或n型半导体,与门极形成pn结的结构。
另外,门极绝缘型fet是通道部分(semicoductor)上形成薄的氧化膜(oxide),并且在其上形成门极用金属薄膜(metal)的结构。从制造门极结构材质按其字头顺序称为mos fet。
根据jfet、mos fet的通道部分的半导体是p型或是n型分别有p沟道元件,n 沟道元件两种类型。
图3均为n沟道型结构图。
4.场效应管的传输特性和输出特性。
图4 jfet的特性例(n沟道)
从图4所示的n沟道jfet的特性例来看,让vgs 有很小的变化就可控制id 很大变化的情况是可以理解的。采用jfet设计放大器电路中,vgs 与id 的关系即传输特性是最重要的,其次将就传输特性以怎样方式表示加以说明。
图5 传输特性。
这个传输特性包括jfet本身的结构参数,例如沟道部分的杂质浓度和载体移动性,以致形状、尺寸等,作为很麻烦的解析结果可导出如下公式(公式的推导略去)
作为放大器的通常用法是vgs 、vgs (off) <0(n沟道),vgs 、vgs (off) >0(p沟道)。式(10.4.1)用起来比较困难,多用近似的公式表示如下。
将此式就vgs 改写则得下式。
上(10.4.2) 下(10.4.3)
若说式(10.4.2)是作为jfet的解析结果推导出来的,不如说与实际的jfet的特性或者式(10.
4.1)很一致的作为实验公式来考虑好些。图5表示式(10.
4.1)、式(10.4.
2)及实际的jfet的正规化传输特性,即以id /idss为纵坐标,vgs /vgs (off) 为横坐标的传输特性。n沟道的jfet在vgs < 0的范围使用时,因vgs(off) <0,vgs /vgs(off) >0,但在图5上考虑与实际的传输特性比较方便起见,将原点向左方向作为正方向。但在设计半导体电路时,需要使用方便且尽可能简单的近似式或实验式。
传输特性相当于双极性晶体管的vbe -ie特性,但vbe -ie 特性是与高频用、低频用、功率放大用等用途及品种无关几乎是同一的。与此相反,jfet时,例如即使同一品种idss、vgs(off)的数值有很大差异,传输特性按各产品也不同。
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