4场效应管
一、复习引入
三极管是电流控制型器件,使用时信号源必须提供一定的电流,因此输入电阻较低,一般在几百~几千欧左右。场效应管是一种由输入电压控制其输出电流大小的半导体器件,所以是电压控制型器件;使用时不需要信号源提供电流,因此输入电阻很高(最高可达1015Ω),这是场效应最突出的优点;此外,还具有噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗低优点,因此得到了广泛的应用。
按结构的不同,场效应管可分为绝缘栅型场效管(IGFET )和结型场效应管(JFET )两大类,它们都只有一种载流子(多数载流子)参与导电,故又称为单极型三极管。
二、新授
(一)N 沟道增强型绝缘栅场效应管MOSFET
1.结构和符号
图1(a )是N 沟道增强型绝缘栅场效应管的结构示意图,它以一块掺杂浓度较低的P 型硅片作为衬底,利用扩散工艺在P 型衬底上面的左右两侧制成两个高掺杂的N 区,并用金属铝在两个N 区分别引出电极,分别作为源极s 和漏极d ;然后在P 型硅片表面覆盖一层很薄的二氧化
硅(SiO 2)绝缘层,在漏源极之间的绝缘层上再喷一层金属铝作为栅极g ,另外在衬底引出衬底引线B (它通常在管内与源极s 相连接)。可见这种管子的栅极与源极、漏极是绝缘的,故称绝缘栅场效应管。
这种管子由金属、氧化物和半导体制成,故称为MOSFET ,简称MOS 管。不难理解,P 沟道增强型MOS 管是在抵掺杂的N 型硅片的衬底上扩散两个高掺杂的P 区而制成。
(a )N 沟道结构示意图 (b ) N 沟道符号 (c )P 沟道符号
图1 N沟道增强型MOS 管的结构与符号
图1 (b)、(c)分别为N 沟道、P 沟道增强型MOS 管的电路符号。
2.工作原理与特性曲线
以N 沟道增强型MOS 管为例讨论其工作原理。
(1)工作原理
工作时,N 沟道增强型MOS 管的栅源电压u GS 和漏
源电压u DS 均为正向电压。
当u GS =0时,漏极与源极之间无导电沟道,是两个背靠的PN 结,故即使加上u DS ,也无漏极电流,i D =0,如图2(a)
当u GS >0且u DS 较小时,在u GS 作用下,在栅极下面的二氧化硅层中产生了指向P 型衬底,且垂直于衬底的电场,这个电场排斥靠近二氧化硅层的P 型衬底中的空穴(多子),同时吸引P 型衬底中的电子(少子)向二氧化硅层方向运动。但由u GS 较小,吸引电子的电场不强,只形成耗尽层,在漏、源级间尚无导电沟道出现,i D =0,如图2(b)所示。
若u GS 继续增大,则吸引到栅极二氧化硅层下面的电子增多,在栅极附近的P 型衬底表面形成一个N 型薄层(电子浓度很大),由于它的导电类型与P 型衬底相反,故称为反型层,它将两个N 区连通,于是在漏、源极间形成了N 型导电沟道,这时若有u DS >0,就会有漏极电流i D 产生,如图2(c)所示。开始形成导电沟道时的漏源电压称为开启电压,用U GS(th)表示。一般情况下,U GS(th)约为几伏。随着U GS 的增大,沟道变宽,沟道电阻减小,漏极电流i D 增大,这种u GS =0时没有导电沟道,u GS >U GS(th)后才出现N
型导电沟道的MOS 管,被称为N 沟道增强型MOS 管。 导电沟道形成后,当u DS =0时,管内沟道是等宽的。随着u DS 的增加,漏极电流i D 沿沟道从漏极流向源极产生电压降,使栅极与沟道内各点的电压不再相等,靠近源极一端电压最大,其值为u GS ,靠近漏极一端电压最小,其值为u GD (uGD =uGS -u DS ) ,于是沟道变得不等宽,靠近漏极处最窄,靠近源极处最宽,如图2(c )所示。 当u DS 增大到使u GD =uGS -u DS =UGS(th)时,在漏极一端的沟道宽度接近于零,这种情况称为沟道预夹断。若再增大,夹断区将向源极方向延伸,如图2(d)所示。
(2)特性曲线
(a) u GS =0时没有导电沟道 (b) u GS 较小时没有导电沟道
(c)u GS >U GS(th) 时产生导电沟道 (d)u DS 较大时出现夹断,i D
趋于饱和
图2 N沟道增强型MOS 管工作图解
场效应管的特性曲线有输出特性曲线和转移特性曲线两种。由于输入电流(栅流) 几乎等于零,所以讨论场效应管的输入特性是没有意义的。场效应管的输出特性又称为漏极特性。i D 与输出电压u DS 和输入电压i GS 有关,当栅源电压u GS 为某一定值时,漏极电流i D 与漏源电压u DS 之间的关系式为输出特性关系式,即
i D =f (u DS ) |u GS =常数 (1-1)
当漏源电压u DS 为某一定值时,漏极电流i D 与栅源电压u GS 之间的关系式为转移特性关系式,即
i D =f (u GS ) |u GS =常数(1-2)
N 沟道增强型MOS 管共源组态的输出特性曲线和转移特性曲线,分别如图3(a)和3(b)所示。
N 沟道增强型MOS 管的输出特性曲线可分为四个区域;
1)可变电阻区(也称非饱和区)满足u GS >U GS (th )(开启电压),u DS
似为一组直线。这时场效管D 、S 间相当于一个受电压u GS 控制的可变电阻。
(a)输出特性 (b )转移特性
图3 N 沟道增强型MOS 管的特性曲线
2)恒流区(也称饱和区、放大区、有源区)满足U GS ≥U GS(th)且U DS ≥U GS -U GS(th),为图中预夹断轨迹右边、但尚未击穿的区域,在该区域内,当u GS 一定时,i D 几乎不随u DS 而变化,呈恒流特性。i D 仅受u GS控制,这时场效应管D 、S 间相当于一个受电压u GS控制的电流源。场效应管用于放大电路时,一般就工作在该区域,所以也称为放大区。
3)夹断区(也称截止区)满足u GS <U GS(th)为图中靠近横轴的区域,其沟道被全部夹断,称为全夹断,i D=0,管子不工作。
4)击穿区位于图中右边的区域。随着u DS 的不断增大,PN 结因承受太大的反向电压而击穿,i D急剧增加。工作
时应避免管子工作在击穿区。
转移特性曲线可以从输出特性曲线上用作图的方法求得。例如在图3(a )中作u DS =6V 的垂直线,将其与各条曲线的交点对应的i D 、u GS 值在i D -u GS 坐标中连成曲线,即得到转移性曲线,如图3(b )所示。
(二)耗尽型绝缘栅场效应管的结构及其工作原理
1.结构和符号
N 沟道耗尽型MOS 管的结构示意图和电路符号如图4所示。它的结构和增强型基本相同,主要区别是:这类管子在制造时,已经在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的正离子,所以在正离子产生的电场作用下,漏、源极间已形成了N 型导电沟道(反型层),它的电路符号如图4(b )所示。P 沟道耗尽型FET 电路符号如4(c )所示。
2.工作原理
当u GS=0时,只要加上正向电压u DS ,就有i D产生。当u GS由零向正值增大时,则加强了绝缘层中的电场,将吸引更多的电子至衬底表面,使沟道加宽,i D 增大。反之,u GS由零向负值增大时,则削弱了绝缘层中的电场,使沟道变窄,i D 减小。当u GS 负向增加到某一数值时,导电沟道消失,i D =0,管子截止,此时所对应的栅源电压称为夹
断电压,用U GS(off)表示。
由上可知,这类管子在u GS =0时,导电沟道就已形成;当u GS 由零减小到UGS(off)时,沟道逐渐变窄而夹断,故称为耗尽型。所以增强型与耗尽型场效应管的主要区别,就在于u GS =0时是否有导电沟道。耗尽型MOS 管在u GS 0的情况下都可以工作,这是它的一个重要特点。
耗尽型MOS 管在恒流区内的电流i D 近似表达式为:
i D =I DSS (1-u GS
U GS (off ) ) 2 (1-3)
(a )N 沟道结构示意图(b )N 沟道符号(c )P 沟道符号
图4耗尽型MOS 管的结构与符号
式(1-3)中IDSS 是U GS =0时的漏极电流i D 值,UGS(off)为夹断电压。
对于N沟道耗尽型MOS 管,当满足u GS >U GS(off)(夹断电压),u DS U GS(off)且u DS >u GS -U GS(off)时工作在恒温区;当满足
u GS
P 沟道MOS 管和N 沟道MOS 管的主要区别在于作为衬底的半导体材料的类型不同,P 沟道MOS 管是以N 型硅作为衬底,而漏极和源极从两个P 区引出,形成的导电沟道为P 型。对于P 沟道耗尽型MOS 管,在二氧化硅绝缘层中掺入的是负离子,使用时,u GS 、u DS 的极性与N 沟道MOS 管相反。P 沟道增强型MOS 管的开启电压U GS(th)是负值,而P 沟道耗型场效应管的夹断电压U GS(off)是正值。
(三)结型场应管简介
结型场效应管也分为N 沟道和P 沟道两种,图5所示为结型场效应管结构示意图与电路符号。
(a )N 沟道管的结构示意图 (b)平面结构示意图 (c)N沟道管的电路符号 (d)P沟道管的符号
图5 结型场效应管
N 沟道结型场效应管是在一块N型半导体两侧扩散生成两个掺杂浓度的P 区,从而形成两个PN 结。连接两个
P 区引出一个电极,称为栅极g ,在N 型半导体两端各引出一个电极,分别称为源极s 和漏极d 。
两个PN 结的耗尽层之间存在一个狭长的由源极到漏极的N型导电沟道。可见,结型场效应管属于耗尽型,改变加在PN 结两端的反向电压,就可以改变耗尽层的宽度,也就改变了导电沟道的宽窄,从而实现利用电压控制导电沟道的电流。
N 沟道结型场效应管正常工作时,栅源之间加反向电压,即u GS 0,形成漏极电流i D 。
对于N 沟道结型场效应管,当满足u GS >UGS (off )(夹断电压),u DS U GS(off)且u DS >u gs -U GS(off)时工作在恒流区;当满足u GS
为便于学习和记忆,现把各类场效应管的比较列于表1-2中。
表1-2 各类场效应管比较表
(四)场效应管的主要参数
1.性能参数
(1)开启电压U GS(th)和夹断U GS(off)
它指u DS 一定时,使漏极电流i D 等于某一微小电流时栅、源之间所加的电压u GS ,对于增强型MOS 管称为开启电压U GS(th), 对于耗尽型MOS 管称为夹断电压U GS(off)。
(2)饱和漏极电流I DSS
它是耗尽型管子的参数,指工作在饱和区的耗尽型场效应管在u GS =0时的饱和漏极电流。
(3)直流输入电阻R GS
指漏、源极间短路时,栅、源之间所加直流电压与栅
极直流电压之比。一般JFET 的R GS>107Ω,而MOS 管的R GS>109Ω。
(4)低频跨导(互导)g m
在UDS为某定值时,漏极电流i D 的变化量和引起它变化的u GS 变化量之比,即
g m =i D
u GS u DS =常数| (1-18)
g m 反映了u GS 对i D 的控制能力,是表征场效应管放大能力的重要参数,单位为西门子(S),一般为几毫西门子(mS)。g m 的值与管子的工作点有关。
2.极限参数
(1)最大漏极电流I DM
I DM是指管子在工作时允许的最大漏极电流
(2)最大功率P DM
最大耗散功率P DM=u DS i D ,其值受管子的最高工作温度的限制。
(3)漏源击穿电压U(BR)DS
它是指栅、源极间所能承受的最大电压,即u DS 增大到使i D 开始急剧上升(管子击穿)时的u DS 值。
(4)栅源击穿电压U (BR)GS
它是指栅、源极间所能承受的最大电压。u GS 值超过此值
时,栅源间发生击穿。
作业布置:
1、场效管有哪几种类型?
2、场效管与半导体三极管在性能上的主要差别是什么?在使用场效管时,应注意哪些问题?
3、现有一个结型场效应管和一个半导体三极管混在一起,你能根据两者的特点用万用表把它们分开吗?