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1、第３章 场效应管及其应用12３.１ 场效应管的识别３.２ 场效应管的应用返回３.１ 场效应管的识别场效应管简称FET,是一种利用输入电压控制输出电流的半导体器件.场效应管除了具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点外,还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、功耗小等独特优势,因此场效应管在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用.３.１.１ 场效应管的种类根据结构不同,场效应管可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管.根据场效应管制造工艺和材料不同,又分为N型沟道场效应管和P型沟道场效应管.下一页返回３.１ 场效应管的识别根据工作方式的不同,又分增强型和耗尽型两类.其中结型场
2、效应管全为耗尽型,绝缘栅型场效应管既有增强型,也有耗尽型.场效应管的分类如图３.１所示.３.１.２ 场效应管的结构１?结型场效应管的结构与符号结型场效应管简称JFET,实物外形如图３.２(a)所示.结型场效应管的内部结构如图３.２(b)所示,它是用一块N型半导体作衬底,在其两侧做成两个高浓度的P型区,形成两个PN结.将两边的P型区连在一起,引出一个电极称为栅极,用G表示;在N型衬底的两端各引出一个电极,分别叫做漏极和源极,用D和S表示.上一页下一页返回３.１ 场效应管的识别两个PN结中间的N型区域,叫做导电沟道,它是漏极和源极之间的电流通道.电路符号如图３.２(c)所示
3、.由于N沟道两侧对称,所以漏极D和源极S两极可以互换使用.若在P型硅两侧各扩散一个高浓度的N型区,形成两个PN结.漏极和源极之间是由P型半导体构成的导电沟道,就称为P沟道结型场效应管.如图３.３所示.２?绝缘栅型场效应管的结构与符号绝缘栅型场效应管是由金属(Metal),氧化物(Oxide)和半导体(Semiconductor)组成,故简称MOS场效应管.N沟道MOS场效应管简称NMOS,P沟道MOS场效应管简称PMOS.上一页下一页返回３.１ 场效应管的识别３.１.３ 场效应管的特性１?工作原理１)结型场效应管的工作原理研究场效应管主要是分析输入电压对输出电流的控制作
4、用,以N沟道结型场效应管为例进行分析,如图３.６所示,当在S和D之间加上电压uDS时,在S和D极之间形成电流iD.为保证该管有较高的输入电阻,通常在G和S极之间加的是反向偏置电压uGS.当G、S两极间电压uGS改变时,沟道两侧耗尽层的宽度也随之改变.由于沟道宽度的变化,导致沟道电阻值的变化,从而实现了利用外加电压(输入电压)uGS控制导电沟道电流(漏极电流)iD的目的.上一页下一页返回３.１ 场效应管的识别２)绝缘栅型场效应管的工作原理(１)N沟道增强型MOS管.工作原理如图３.７所示.工作时栅源间加正向电压uGS,漏源间加正向电压uDS.并将源极与衬底相连,衬底是电路
5、中的最低电位.增强型MOS管在漏源之间没有导电沟道,这是因为此时漏极与衬底、源极之间为两个反向串联的PN结.当漏源之间加正向电压uDS时,漏极与衬底之间的PN结呈反向偏置,所以漏源之间没有导电沟道,漏极电流iD＝０.当uGS逐渐增大(即uGS＞０时),在栅极与衬底之间产生一个垂直于半导体表面,由栅极G指向衬底的电场.这个电场的作用是排斥空穴,吸引电子,形成耗尽层.上一页下一页返回３.１ 场效应管的识别当栅极电压uGS继续增大到一定程度时,垂直电场可吸引足够多的电子,穿过耗尽层到达半导体最表层,从而形成以自由电子为主体的导电薄层,称为反型层.反型层使漏极D与源极S之间形成
6、一条导电沟道,当加上漏源电压uDS后,就会发现有漏极电流iD流过.刚刚开始出现漏极电流iD时所对应的栅源电压uGS称为MOS管的开启电压,用UT表示.也就是说,当uGS＜UT时,导电沟道消失,iD＝０.而只有当uGS≥UT时,才能形成导电沟道,并产生漏极电流iD.(２)N沟道耗尽型MOS管.原理如图３.８所示.N沟道耗尽型MOS管在制造时,在SiO２绝缘层中掺入大量的正离子.由于这些正离子的存在,使得uGS＝０时,就有垂直电场进入半导体,并吸引自由电子到半导体的表层而形成N型导电沟道,此时若加上正向电压uDS,便会有漏极电流iD产生.上一页下一页返回３.１ 场效应管的识
7、别当uGS＞０时,uGS在栅极G和衬底之间形成电场,与绝缘层中的正离子形成的电场方向相同,使导电沟道变宽,在uDS的作用下,iD也较大.当uGS＞０时,即栅源极间加负电压,uGS形成的电场就削弱了正离子所产生的电场,使得沟道变窄,iD减小,当uGS到达某一负值时,导电沟道完全被夹断,此时的栅源电压uGS称为夹断电压UP.MOS管就是利用栅源电压uGS产生的电场强度的大小来改变导电沟道的宽窄,从而控制漏极电流iD的有无和大小.２?特性曲线１)结型场效应管的特性曲线上一页下一页返回３.１ 场效应管的识别(１)输出特性.图３.９为N沟道结型场效
