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模擬電路網絡課件 第十七節:結型場效應管
4.1 結型場效應管
4.1.1 結型場效應管的結構與工作原理
一、結型場效應管的結構
如圖1(a)所示，在一塊N型半導體材料的兩邊各擴散一個高雜質濃度的P+區,就形成兩個不對稱的P+N結，即耗盡層。把兩個P+區并聯在一起，引出一個電極g，稱為柵極，在N型半導體的兩端各引出一個電極，分別稱為源極s和漏極d。它們分別與三極管的基極b、發射極e和集電極c相對應。夾在兩個P+N結中間的N區是電流的通道，稱為導電溝道（簡稱溝道）。這種結構的管子稱為N溝道結型場效應管，它在電路中用圖1(b)所示的符號表示，柵極上的箭頭表示柵-源極間的P+N結正向偏置時，柵極電流的方向（由P區指向N區）。
?N溝道JFET的結構剖面圖
圖2
如果在一塊P型半導體的兩邊各擴散一個高雜質濃度的N+區，就可以制成一個P溝道的結型場效應管。圖2給出了這種管子的結構示意圖和它在電路中的代表符號。
由結型場效應管代表符號中柵極上的箭頭方向，可以確認溝道的類型。
二、工作原理
N溝道和P溝道結型場效應管的工作原理完全相同，現以N溝道結型場效應管為例，分析其工作原理。
N溝道結型場效應管工作時，需要外加如圖1所示的偏置電壓（鼠標單擊圖1中“結型場效應管的工作原理”)，即在柵-源極間加一負電壓(vGS＜0)，使柵-源極間的P+N結反偏，柵極電流iG≈0，場效應管呈現很高的輸入電阻(高達108W左右)。在漏-源極間加一正電壓(vDS＞0)，使N溝道中的多數載流子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運動，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時也受漏-源電壓vDS的影響。因此，討論場效應管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對溝道電阻及漏極電流iD的控制作用，以及漏-源電壓vDS對漏極電流iD的影響。(再單擊圖1中“結型場效應管的工作原理”，并分別單擊其下方的三排熱字)
詳細說明：
1．vGS對溝道電阻及iD的控制作用
?
(a)? vGS=0的情況????????????????????? ?(b)? VP 圖2 圖2所示電路說明了vGS對溝道電阻的控制作用。為便于討論，先假設漏-源極間所加的電壓vDS=0。當柵-源電壓vGS=0時，溝道較寬，其電阻較小，如圖2(a)所示。當vGS<0，且其大小增加時，在這個反偏電壓的作用下，兩個P+N結耗盡層將加寬。由于N區摻雜濃度小于P+區，因此，隨著|vGS| 的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖2(b)所示。當|vGS| 進一步增大到一定值|VP| 時，兩側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。由于耗盡層中沒有載流子，因此這時漏-源極間的電阻將趨于無窮大，即使加上一定的電壓vDS，漏極電流iD也將為零。這時的柵-源電壓稱為夾斷電壓，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，溝道電阻增大，iD減小。上述效應也可以看作是柵-源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場，電場強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iD的影響 (a)vDS 圖3 設vGS值固定，且VP 在vDS較小時，它對iD的影響應從兩個角度來分析：一方面vDS增加時，溝道的電場強度增大，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應該下降，但是在vDS較小時，溝道的不均勻性不明顯，在漏極附近的區域內溝道仍然較寬，即vDS對溝道電阻影響不大，故iD隨vDS增加而幾乎呈線性地增加。隨著vDS的進一步增加，靠近漏極一端的P+N結上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應變寬，溝道電阻相應增加，iD隨vDS上升的速度趨緩。 當vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夾斷電壓)時，漏極附近的耗盡層即在A點處合攏，如圖3(b)所示，這種狀態稱為預夾斷。與前面講過的整個溝道全被夾斷不同，預夾斷后，漏極電流iD≠0。因為這時溝道仍然存在，溝道內的電場仍能使多數載流子(電子)作漂移運動，并被強電場拉向漏極。若vDS繼續增加，使vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP時，耗盡層合攏部分會有增加，即自A點向源極方向延伸，如圖3(c)，夾斷區的電阻越來越大，但漏極電流iD卻基本上趨于飽和，iD不隨vDS的增加而增加。因為這時夾斷區電阻很大，vDS的增加量主要降落在夾斷區電阻上，溝道電場強度增加不多，因而iD基本不變。但當vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后，漏極一端P+N結上反向電壓將使P+N結發生雪崩擊穿，iD會急劇增加，正常工作時vDS不能超過V(BR)DS。 從結型場效應管正常工作時的原理可知：① 結型場效應管柵極與溝道之間的P+N結是反向偏置的，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，所以場效應管是電壓控制電流器件。③ 預夾斷前，即vDS較小時，iD與vDS間基本呈線性關系；預夾斷后，iD趨于飽和。 P溝道結型場效應管工作時，電源的極性與N溝道結型場效應管的電源極性相反。 4.1.2 結型場效應管的曲線及參數 詳細文字說明: 由于結型場效應管的柵極輸入電流iG≈0，因此很少應用輸入特性曲線，常用的特性曲線有輸出特性曲線和轉移特性曲線。 1．輸出特性曲線 輸出特性曲線用來描述vGS取一定值時，電流iD和電壓vDS間的關系，即 它反映了漏-源電壓vDS對iD的影響。 圖1是一個N溝道結型場效應管的輸出特性曲線。由此圖可見，結型場效應管的工作狀態可劃分為四個區域。 ???? ????????????? 圖1 (1) 可變電阻區 可變電阻區位于輸出特性曲線的起始部分，它表示vDS較小、管子預夾斷前，電壓vDS與漏極電流iD間的關系。 在此區域內有VP＜vGS≤0，vDS＜vGS－VP。當vGS一定，vDS較小時，vDS對溝道影響不大，溝道電阻基本不變，iD與vDS之間基本呈線性關系。若?| vGS | 增加，則溝道電阻增大，輸出特性曲線斜率減小。所以，在vDS較小時，源-漏極間可以看作是一個受vGS控制的可變電阻，故稱這一區域為可變電阻區。這一特點常使結型場效應管被作為壓控電阻而廣泛應用。 (2) 飽和區(也稱恒流區) 當VP＜vGS≤0且vDS≥vGS－VP時，N溝道結型場效應管進入飽和區，即圖中特性曲線近似水平的部分。它表示管子預夾斷后，電壓vDS與漏極電流iD間的關系。飽和區的特點是iD幾乎不隨vDS的變化而變化，iD已趨于飽和，但它受vGS的控制。 應當指出，圖1中左邊的虛線是可變電阻區與飽和區的分界線，是結型場效應管的預夾斷點（vDS=vGS-VP）的軌跡。顯然，預夾斷點隨vGS改變而變化，vGS愈負，預夾斷時的vDS越小。 (3) 擊穿區 管子預夾斷后，若vDS繼續增大，當柵-漏極間P+N結上的反偏電壓vGD增大到使P+N結發生擊穿時，iD將急劇上升，特性曲線進入擊穿區。管子被擊穿后再不能正常工作。 (4) 截止區(又稱夾斷區) 當柵-源電壓 2. 轉移特性曲線 轉移特性曲線用來描述vDS取一定值時，iD與vGS間的關系的曲線，即 它反映了柵-源電壓vGS對iD的控制作用。 由于轉移特性和輸出特性都是用來描述vGS、vDS及iD間的關系的，所以轉移特性曲線可以根據輸出特性曲線繪出。作法如下：在圖1所示的輸出特性中作一條vDS=10V的垂線，將此垂線與各條輸出特性曲線的交點A、B和C所對應的iD、vGS的值轉移到iD-vGS直角坐標系中，即可得到轉移特性曲線 (a)vDS=10V時的轉移特性曲線 (b)vDS取不同值時的轉移特性曲線 圖2 改變vDS的大小，可得到一族轉移特性曲線，如圖2(b)所示。由此圖可以看出，當vDS≥ 式中IDSS為vGS=0，vDS≥ 3、主要參數 （1）. 夾斷電壓VP 當vDS為某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小電流(例如50mA)時，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，場效應管發生預夾斷時的漏極電流。 IDSS是結型場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，柵-源極間的直流電阻。 （4）. 低頻跨導gm 當vDS為常數時，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，即???????????????????????? ????????????????????????? gm反映了柵-源電壓對漏極電流的控制能力，是表征場效應管放大能力的一個重要參數。單位為西門子(s)，有時也用ms或μs表示。需要指出的是，gm與管子的工作電流有關，iD越大，gm就越大。在放大電路中，場效應管工作在飽和區(恒流區)，gm可由式和 （5）. 輸出電阻rd 當vGS為常數時，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iD的影響。在飽和區內，iD幾乎不隨vDS而變化，因此，rd數值很大，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，但在高頻應用時，極間電容的影響必須考慮。 （7）. 最大漏-源電壓V(BR)DS 指管子溝道發生雪崩擊穿引起iD急劇上升時的vDS值。V(BR)DS的大小與vGS有關，對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結發生反向擊穿時的vGS值，這時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)變為熱能使管子的溫度升高，為了限制管子的溫度，就需要限制管子的耗散功率不能超過PDM。PDM的大小與環境溫度有關。 除了以上參數外，結型場效應管還有噪聲系數，高頻參數等其他參數。結型場效應管的噪聲系數很小，可達1.5dB以下。
? (c)? vGS≤VP
(c)vDS>vGS-VP的情況
增加，溝道電阻增加，iD減小。場效應管作線性放大器件用時，就工作在飽和區。
≥ 
時，溝道全部被夾斷，iD≈0，這時場效應管處于截止狀態。截止區處于輸出特性曲線圖的橫座標軸附近(圖1中未標注)。
，如圖2(a)所示。
（圖中為vDS≥5V）后，不同vDS下的轉移特性曲線幾乎重合，這是因為在飽和區內iD幾乎不隨vDS而變。因此可用一條轉移特性曲線來表示飽和區中iD與vGS的關系。在飽和區內iD可近似地表示為
(VP＜vGS≤0) (5.1.1)
時的漏極電流，稱為飽和漏極電流。 
???????? ????????? 求得，即?
工商網監
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