场效应管(建议看)

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iD
0V –1V –2V uGS = – 3 V
uDS
IDSS
可 变 电 阻 区
预夹断轨迹,uGD=UGS(off)
恒 流 区
击 穿 区
i D gm U GS
夹断电压
夹断区(截止区)
夹断电压为负
∴栅源电压越负,电流iD越小。
①夹断区: i D 0 UGS<UGS(off) ②可变电阻区(预夹断轨迹左边区域):
之间的函数关系,即
iD f (uGS ) |U DS 常数
N沟道结型场效应管UGS=0时,存在导电沟道,电流最大;
栅源之间加负向电压UGS<0直至沟道消失,电流为零。
UGS=0V -1V -2V -3V 夹断电压
U GS ( off ) 0
栅源电压越负,电流越小 恒流区条件:
U GS U GS (off )
3、特性曲线与电流方程
转移特性 输出特性曲线
N沟道增强型MOS管在UGS=0时,无导电沟道,电流为零。
UGS加正向电压至开启电压后,电流随UGS的增大而增大。
VDS 为正的
6V 5V 4V 3V 开启电压
U GS ( th ) 0
栅源电压越正,电流越大 恒流区条件:
U GS U GS (th )
增强型N沟道
耗尽型N沟道
增强型P沟道 耗尽型P沟道
说明:
1、栅极用短线和沟道隔开,表示绝缘栅; 2、箭头:由P区指向N区; 3、虚线:增强型MOS管; 实线:耗尽型MOS管。
二、N沟道增强型MOS管的工作原理
在通常情况下,源极一般都与衬底相连,即UBS=0。 为保证N沟道增强型MOS管正常工作,应保证: ① UGS=0时,漏源之间是两只背向的PN结,不管UDS 极性 如何,其中总有一个PN结反偏,所以不存在导电 沟道。UGS必须大于0(UGS>0)管子才能工作。 ②漏极对源极的电压UDS必须为正值(UDS>0)。这样在漏 极电压作用下,源区电子沿导电沟道行进到漏区,产 生自漏极流向源极的电流。
栅-源电压对导电沟道宽度的控制作用
夹 断
负电压 UGS(off)
U GS 0V
沟道最宽
耗尽层变宽
沟道变窄
负电压绝对值增大 沟道消失
2.漏源电压UDS对漏极电流ID的影响
UGS为UGS(off) ~0V中某一固定值, 保证存在一定宽度的导电沟道 ①UDS=0,ID=0 ②UDS从零开始增大
存在漏极电流,漏源之间的导电沟道具有一定电阻,因 而漏源电压UDS沿沟道递降 ,造成漏端电位高于源端电位。
UGS>UGS(off)、UGD>UGS(off)
注:可变电阻区电流iD随UDS线性变化,D-S间可等效为 电阻。 不同的UGS ,D-S间的等效电阻不同。 UGS增大,等效电阻减小. 对应不同的UGS有不同的等效电阻,所以又称可变电阻区。 ③恒流区(预夹断轨迹右边区域): 电流iD近似为电压UGS控制的电流源。 UGS>UGS(off)、UGD<UGS(off) ④击穿区: UDS增大到一定程度时,漏极电流骤然增大,管子被击穿。
同样,从外部看,进入夹断区后,UDS增大,iD几乎不变, 即iD几乎仅仅决定于UGS,表现出iD的恒流特性。
综上所述,可以画出UGS一定,iD随UDS变化的特征。开 始时,因UDS很小,iD随UDS线性增大;进入夹断区后,沟 道呈现的电阻近似为与UDS无关的恒定值,可认为iD几乎 是不随UDS而变化的恒值。
近漏端PN结上的反向偏压大于近源端,因而近漏端 耗尽层宽度大于近源端。即靠近漏极处的耗尽层厚度加 宽,沟道变窄,从左至右呈楔形分布。
DS 间的电位差使沟道呈楔形,uDS,靠近漏端的沟道变窄。
只要栅源之间不出现夹断区
域,电流iD会随UDS的增大而线 性增大,d-s呈现电阻特性。
当UDS增大到使UGD=UGS-UDS=UGS(off)
U GS ( off ) 0
UGS=0V
栅源电压越正,电流越小 恒流区条件:
1V
2V 3V 夹断电压
U GS U GS (off )
U GD U GS (th )
一、N沟道增强型MOS管的结构
以P型硅片为作为衬底,其间扩散两个高掺杂的N+区, 并引出两个电极,作为源极s和漏级d。并在半导体上制作 sio2绝缘层,再在sio2上制作一层金属铝,引出电极作为栅 极g,此外P型半导体称为衬底B。
③UDS增大进入预夹断形成漏极饱和电流IDSS
④UDS增大进入夹断区后,电流 iD表现出恒流特性。
同样的UDS,增大|UGS|,由于导电沟道变窄,电流iD减小。
假定夹断电压为-4V. 则UGS≤-4V,电流iD恒等于0 现栅源电压为-3V,即U GS 3V 存在导电沟道 电流iD随UDS的变化: ①UDS=0,ID=0 ②电流iD随UDS的增大而 线性增大,呈现电阻特性 ③电流 iD表现出恒流特性
U GD U GS (th )
同理,P沟道增强型MOS管在UGS=0时,无导电沟道, 电流为零。UGS加负向电压至开启电压后,电流随着UGS 的增大而增大。VDS 为负的
U GS ( th ) 0
-6V
栅源电压越负,电流越大
-5V -4V -3V 开启电压
恒流区条件:
U GS U GS (th )
UGS增大,反型层将变厚变长。当反型层将两个N区相 接时,形成导电沟道。通常将反型层称为源区和漏区之 间的导电沟道(N沟道)。显然,UGS越大,导电沟道越 宽,导电能力就越强。 通常将开始形成反型层所需的UGS值称为开启电压, 用UGS(th)表示。
U GS ( th ) 0
①UGS<UGS(th)时,沟道未形成,UDS作用下iD=0。 ②UGS>UGS(th)时,沟道形成,UDS作用下产生漏极电流iD。
导电 沟道
二、 结型场效应管的工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同, 只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。 为保证N沟道结型场效应管正常工作,应保证:
①栅源之间加负向电压(UGS<0) ,两侧PN结均处 于反向偏置,栅源电流几乎为零。
②漏-源之间加正向电压(UDS>0),使N型半导体中的 多数载流子-电子由源极出发,经过沟道到达漏极形 成漏极电流ID。
1、沟道形成原 (UGS=0,不存在导电沟道) 理
栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘层,形成 电容。加上正的UGS后,栅极金属层将聚集正电荷,排斥 P型半导体靠近绝缘层一侧的空穴,留下不能移动的负离 子区,形成耗尽层。
增大UGS,一方面耗尽层加宽,另一方面将衬底的自 由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,并进一步排斥空穴, 直到其间自由电子浓度大于空穴浓度,薄层中的导电类型 就由原来的P型变为N型。因它是由P型半导体转换而来的, 故称其为反型层。
iD g muGS
UDS一定,电流iD随UGS的变化趋势: ①UGS<UGS(off),无导电沟道,电流iD恒为0。
②同样的UDS,减小|UGS|,导电沟道变宽,电流iD增大。
iD
UGS
-4v -3v UGS(off)
转 移 特 性 曲 线
2、转移特性曲线 当漏-源电压UDS为常量时,漏极电流iD与栅源电压uGS
在UGS=0V时ID=0,只有当UGS >UGS(th) 后才会出现 漏极电流,这种MOS管称为增强型MOS管。 增强型:UGS=0时管子内没有原始的导电沟道,漏极电 流是逐渐增大的。 耗尽型: UGS=0时管子有原始的导电沟道,只要漏源之间 加正电压,就存在漏极电流,因此,漏极电流是逐渐减小的。
1、栅源电压UGS对导电沟道的影响(设UDS=0)
UGS <0,两个PN结处于反向偏置, 耗尽层有一定宽度。
若|UGS| 增大,耗尽层变宽,沟道变 窄,沟道电阻增大;
若|UGS| 减小,耗尽层变窄,沟 道变宽,沟道电阻减小; 这表明UGS控制着漏源之间的导电沟道。
当|UGS|(UGS为绝对值)增加到某一 数值时,两边耗尽层闭合,导电 沟道消失。此时,漏源之间的电 阻趋于无穷大。管子处于截止状 态,ID=0。 此时UGS的值称为夹断电压UGS(off)。 注:夹断电压UGS(off)<0
在紧靠漏极处出现预夹断。
出现预夹断后,管子并不截止,因为漏源两极间的 场强已足够大,完全可以把向漏极漂移的全部电子吸 引过去形成漏极饱和电流IDSS。
当UDS继续增加,耗尽层闭合部分沿沟道方向延伸,形成夹断区 ①UDS的增大,会导致漏极电流增大。 ②自由电子只能从夹断区的窄缝中通过,受到的阻力加 大,导致漏极电流减小; 这两种变化相抵消,从外部看,进入夹断区后,UDS增 大,iD几乎不变,即iD几乎仅仅决定于UGS,表现出iD的恒 流特性。
流子参与导电 单极型晶体管(FET) 仅靠半导体中的多数载流子(自由电子或空穴)导电 ①从参与导电的载流子来划分, N沟道器件 自由电子导电 场效应管 P沟道器件 空穴导电 ②从场效应管的结构来划分, 场效应管 结型场效应管(JFET) 绝缘栅型场效应管(IGFET)
按沟道半导体材料的不同,结型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种。
场效应管图片
半导体三极管图片
1.4.1 结型场效应管
一、结型场效应管的结构
N沟道结型场效应管: 在同一块N型半导体上制作两个高掺杂的P区,并将 这两个P区连接在一起,引出一个电极(栅极g),在N 极两端各引出一个电极(漏极d和源极s)
U GD U GS (th )
二、 N沟道耗尽型MOS管 UGS=0时,存在导电沟道。 在制造MOS管时,在SiO2绝缘层中掺入了大量的正离子, 正离子作用下P型衬底表层存在反型层,存在导电沟道。在 漏源之间加正向电压(UDS),就会产生漏极电流。
UGS=0时,存在导电沟道,有漏极电流产生。 UGS>0时(加正向电压),将使ID进一步增加。 UGS<0时(加反向电压),随着UGS的减小漏极电流逐 渐减小,直至ID=0。 特点:栅源之间既可加正向电压又可加反向电压 UGS可在正负值的一定范围内实现对ID的控制。 对应ID=0的UGS称为夹断电压,用符号UGS(off)表示, 有时也用UP表示。
2、UDS对沟道导电能力的控制 形成沟道后,在正的UDS作用下,源区的多子电子沿着 沟道行进到漏区,形成漏极电流iD。因iD通过沟道形成自D 到S方向的电位差,因此加到“平板电容器”上的电压将沿 着沟道而变化。导电沟道的深度是不均匀的,呈锥状变化。
当UDS增大至UDS= UGS-UGS(th)时,沟道在漏极端一侧 出现夹断点,称为预夹断。如果UDS继续增大,夹断区随 之增长。
U GD U GS (off )
1.4.2 绝缘栅型场效应管
绝缘栅型: 场效应管的栅极与源极、栅极与漏极之间采用sio2 绝缘层隔离。 绝缘栅型场效应管又名MOS管。 栅极为金属铝。 绝缘栅型场效应管分为: ①增强型 N沟道、P沟道 ②耗尽型 N沟道、P沟道
同理,P沟道结型场效应管UGS=0时,存在导电沟道,电流 最大; 栅源加正向电压UGS>0直至沟道消失,电流为零。
UDS=UGS-UGS(off)
iD
输出特性曲线
0v -1v -3v UGS=-4V UDS
同样的UDS,减小|UGS|,由于导电沟道变宽,电流iD增大。 随着UGS的增大,发生预夹断时的UDS随之增大。
三、结型场效应管的特性曲线
1、输出特性曲线 栅源电压UGS取为常量,漏极电流ID 与漏源电压UDS 之间的函数关系。D f (uDS ) |UGS 常数 i 对应一个UGS就有一条曲线,因此输出特性曲线为 一簇关系曲线。
N沟道耗尽MOS管在UGS=0时,有导电沟道,有电流。 UGS加正向电压电流增大;UGS加反向电压减小。
1V 0V -1V -2V
U GS ( off ) 0
栅源电压越负,电流越小 恒流区条件:
U GS U GS (off )
夹断电压
U GD U GS (off )
结型场效应管的漏极电流iD受UGS和UDS的双重控制。这 种电压的控制作用,是场效应管具有放大作用的基础。 电流变化过程如下: 前提条件: UGS为UGS(off) ~0V中某一固定值, 存在一定宽度的导电沟道
①UDS=0,ID=0
预夹断:UDS=UGS-UGS(off)
②UDS增大进入预夹断之前,电流iD随UDS的增大而线性增大
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