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场效应管原理(2)

场效应管原理(2)

3 主要参数
(1) 直流参数
指耗尽型MOS夹断电压UGS=UGS(off) 、增强型MOS管开启电压UGS(th)、耗尽型场效应三极管的饱和漏极电流IDSS(UGS=0时所对应的漏极电流)、输入电阻RGS.
(2) 低频跨导gm
gm可以在转移特性曲线上求取,单位是mS(毫西门子)。
(3) 最大漏极电流IDM
2 场效应半导体三极管
场效应半导体三极管是只有一种载流子参与导电的半导体器件,是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。从参与导电的载流子来划分,它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。从场效应三极管的结构来划分,它有结型场效应三极管JFET(Junction type Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET (Metal Oxide Semicon-ductor FET)。
2.2.1 绝缘栅场效应三极管的工作原理
绝缘栅场效应三极管(MOSFET)分为:
增强型 →N沟道、P沟道
耗尽型 →N沟道、P沟道
N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图02.13。 电极D(Drain)称为漏极,相当双极型三极管的集电极;
G(Gate)称为栅极,相当于的基极;
S(Source)称为源极,相当于发射极。
(1)N沟道增强型MOSFET
① 结构
根据图02.13,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极,一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底,用符号B表示。

图02.13 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号


② 工作原理
1.栅源电压VGS的控制作用
当VGS=0 V时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时,若0
进一步增加VGS,当VGS>VGS(th)时( VGS(th) 称为开启电压),由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0,只有当VGS>VGS(th)后才会出现漏极电流,这种MOS管称为增强型MOS管。
VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)?VDS=const这一曲线描述,称为转移特性曲线,见图02.14。

图02.14 转移特性曲线


转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V,所以gm也称为跨导。
跨导的定义式如下:
2.漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
当VGS>VGS(th),且固定为某一值时,来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图02.15所示。根据此图可以有如下关系
当VDS为0或较小时,相当VGD>VGS(th),沟道分布如图02.15(a),此时VDS 基本均匀降落在沟道中,沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处,沟道达到开启的程度以上,漏源之间有电流通过。
当VDS增加到使VGD=VGS(th)时,沟道如图02.15(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况,称为预夹断,此时的漏极电流ID基本饱和。当VDS增加到VGD?VGS(th)时,沟道如图02.15(c)所示。此时预夹断区域加长,伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上, ID基本趋于不变。

图02.15 漏源电压VDS对沟道的影响(动画2-5)


当VGS>VGS(th),且固定为某一值时,VDS对ID的影响,即iD=f(vDS)?VGS=const这一关系曲线如图02.16所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。

(a) 输出特性曲线 (b)转移特性曲线


图02.16 漏极输出特性曲线和转移特性曲线

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