模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第十七節(jié):結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

4.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

4.1.1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與工作原理

一、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)

如圖1(a)所示，在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴(kuò)散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的P+區(qū),就形成兩個(gè)不對(duì)稱(chēng)的P+N結(jié)，即耗盡層。把兩個(gè)P+區(qū)并聯(lián)在一起，引出一個(gè)電極g，稱(chēng)為柵極，在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱(chēng)為源極s和漏極d。它們分別與三極管的基極b、發(fā)射極e和集電極c相對(duì)應(yīng)。夾在兩個(gè)P+N結(jié)中間的N區(qū)是電流的通道，稱(chēng)為導(dǎo)電溝道（簡(jiǎn)稱(chēng)溝道）。這種結(jié)構(gòu)的管子稱(chēng)為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，它在電路中用圖1(b)所示的符號(hào)表示，柵極上的箭頭表示柵-源極間的P+N結(jié)正向偏置時(shí)，柵極電流的方向（由P區(qū)指向N區(qū)）。

?N溝道JFET的結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2

如果在一塊P型半導(dǎo)體的兩邊各擴(kuò)散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的N+區(qū)，就可以制成一個(gè)P溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。圖2給出了這種管子的結(jié)構(gòu)示意圖和它在電路中的代表符號(hào)。

由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管代表符號(hào)中柵極上的箭頭方向，可以確認(rèn)溝道的類(lèi)型。

二、工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理完全相同，現(xiàn)以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例，分析其工作原理。

N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，需要外加如圖1所示的偏置電壓（鼠標(biāo)單擊圖1中“結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理”)，即在柵-源極間加一負(fù)電壓(vGS＜0)，使柵-源極間的P+N結(jié)反偏，柵極電流iG≈0，場(chǎng)效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達(dá)108W左右)。在漏-源極間加一正電壓(vDS＞0)，使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場(chǎng)作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng)，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時(shí)也受漏-源電壓vDS的影響。因此，討論場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對(duì)溝道電阻及漏極電流iD的控制作用，以及漏-源電壓vDS對(duì)漏極電流iD的影響。(再單擊圖1中“結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理”，并分別單擊其下方的三排熱字)

詳細(xì)說(shuō)明：

1．vGS對(duì)溝道電阻及iD的控制作用

?

(a)? vGS=0的情況????????????????????? ?(b)? VP

? (c)? vGS≤VP

圖2

圖2所示電路說(shuō)明了vGS對(duì)溝道電阻的控制作用。為便于討論，先假設(shè)漏-源極間所加的電壓vDS=0。當(dāng)柵-源電壓vGS=0時(shí)，溝道較寬，其電阻較小，如圖2(a)所示。當(dāng)vGS<0，且其大小增加時(shí)，在這個(gè)反偏電壓的作用下，兩個(gè)P+N結(jié)耗盡層將加寬。由于N區(qū)摻雜濃度小于P+區(qū)，因此，隨著|vGS| 的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴(kuò)展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖2(b)所示。當(dāng)|vGS| 進(jìn)一步增大到一定值|VP| 時(shí)，兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷，如圖2(c)所示。由于耗盡層中沒(méi)有載流子，因此這時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無(wú)窮大，即使加上一定的電壓vDS，漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵-源電壓稱(chēng)為夾斷電壓，用VP表示。

上述分析表明，改變柵源電壓vGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。若同時(shí)在漏源-極間加上固定的正向電壓vDS，則漏極電流iD將受vGS的控制，|vGS|增大時(shí)，溝道電阻增大，iD減小。上述效應(yīng)也可以看作是柵-源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流iD的大小。

2．vDS對(duì)iD的影響

(a)vDS

(c)vDS>vGS-VP的情況

圖3

設(shè)vGS值固定，且VP

在vDS較小時(shí)，它對(duì)iD的影響應(yīng)從兩個(gè)角度來(lái)分析：一方面vDS增加時(shí)，溝道的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，iD隨著增加；另一方面，隨著vDS的增加，溝道的不均勻性增大，即溝道電阻增加，iD應(yīng)該下降，但是在vDS較小時(shí)，溝道的不均勻性不明顯，在漏極附近的區(qū)域內(nèi)溝道仍然較寬，即vDS對(duì)溝道電阻影響不大，故iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加。隨著vDS的進(jìn)一步增加，靠近漏極一端的P+N結(jié)上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應(yīng)變寬，溝道電阻相應(yīng)增加，iD隨vDS上升的速度趨緩。

當(dāng)vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夾斷電壓)時(shí)，漏極附近的耗盡層即在A點(diǎn)處合攏，如圖3(b)所示，這種狀態(tài)稱(chēng)為預(yù)夾斷。與前面講過(guò)的整個(gè)溝道全被夾斷不同，預(yù)夾斷后，漏極電流iD≠0。因?yàn)檫@時(shí)溝道仍然存在，溝道內(nèi)的電場(chǎng)仍能使多數(shù)載流子(電子)作漂移運(yùn)動(dòng)，并被強(qiáng)電場(chǎng)拉向漏極。若vDS繼續(xù)增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP時(shí)，耗盡層合攏部分會(huì)有增加，即自A點(diǎn)向源極方向延伸，如圖3(c)，夾斷區(qū)的電阻越來(lái)越大，但漏極電流iD卻基本上趨于飽和，iD不隨vDS的增加而增加。因?yàn)檫@時(shí)夾斷區(qū)電阻很大，vDS的增加量主要降落在夾斷區(qū)電阻上，溝道電場(chǎng)強(qiáng)度增加不多，因而iD基本不變。但當(dāng)vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后，漏極一端P+N結(jié)上反向電壓將使P+N結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，iD會(huì)急劇增加，正常工作時(shí)vDS不能超過(guò)V(BR)DS。

從結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)的原理可知：① 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管柵極與溝道之間的P+N結(jié)是反向偏置的，因此，柵極電流iG≈0，輸入阻抗很高。② 漏極電流受柵-源電壓vGS控制，所以場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流器件。③ 預(yù)夾斷前，即vDS較小時(shí)，iD與vDS間基本呈線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。

P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，電源的極性與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電源極性相反。

4.1.2 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的曲線及參數(shù)

詳細(xì)文字說(shuō)明:

3、主要參數(shù)

（1）. 夾斷電壓VP

當(dāng)vDS為某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小電流(例如50mA)時(shí)，柵-源極間所加的電壓即夾斷電壓。

（2）. 飽和漏極電流IDSS

在vGS=0的條件下，場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)生預(yù)夾斷時(shí)的漏極電流。 IDSS是結(jié)型場(chǎng)效管管子所能輸出的最大電流。

（3）. 直流輸入電阻RGS

它是在漏-源極間短路的條件下，柵-源極間加一定電壓時(shí)，柵-源極間的直流電阻。

（4）. 低頻跨導(dǎo)gm

當(dāng)vDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微小變化量與柵-源電壓vGS的微小變化量之比為跨導(dǎo)，即????????????????????????

????????????????????????? ???????? ?????????

gm反映了柵-源電壓對(duì)漏極電流的控制能力，是表征場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的一個(gè)重要參數(shù)。單位為西門(mén)子(s)，有時(shí)也用ms或μs表示。需要指出的是，gm與管子的工作電流有關(guān)，iD越大，gm就越大。在放大電路中，場(chǎng)效應(yīng)管工作在飽和區(qū)(恒流區(qū))，gm可由式和 求得，即?

（5）. 輸出電阻rd

當(dāng)vGS為常數(shù)時(shí)，漏-源電壓的微小變化量與漏極電流iD的微小變化量之比為輸出電阻rd，即

? ????????????????????????????????????????

rd反映了漏-源電壓vDS對(duì)iD的影響。在飽和區(qū)內(nèi)，iD幾乎不隨vDS而變化，因此，rd數(shù)值很大，一般為幾十千歐~幾百千歐。

（6）. 極間電容Cgs、Cgd、Cds

Cgs是柵-源極間存在的電容，Cgd是柵-漏極間存在的電容。它們的大小一般為1~3pF，而漏-源極間的電容Cds約為0.1~1pF。在低頻情況下，極間電容的影響可以忽略，但在高頻應(yīng)用時(shí)，極間電容的影響必須考慮。

（7）. 最大漏-源電壓V(BR)DS

指管子溝道發(fā)生雪崩擊穿引起iD急劇上升時(shí)的vDS值。V(BR)DS的大小與vGS有關(guān)，對(duì)N溝道而言，|vGS|的值越大，則V(BR)DS越小。

（8）. 最大柵-源電壓V(BR)GS

指柵-源極間的PN結(jié)發(fā)生反向擊穿時(shí)的vGS值，這時(shí)柵極電流由零而急劇上升。

（9）. 漏極最大耗散功率PDM

漏極耗散功率PD(=vDSiD)變?yōu)闊崮苁构茏拥臏囟壬撸瑸榱讼拗乒茏拥臏囟龋托枰拗乒茏拥暮纳⒐β什荒艹^(guò)PDM。PDM的大小與環(huán)境溫度有關(guān)。

除了以上參數(shù)外，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管還有噪聲系數(shù)，高頻參數(shù)等其他參數(shù)。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，可達(dá)1.5dB以下。