场效管
只有一种载流子参与导电,利用电场效应控制电流的三极管,称为场效应管,也称为单极三极管。
场效应管分为结型场效应管和绝缘栅场效应管。
特点:单极性装置(一种载流子导电);输入电阻高;工艺简单,集成方便,功耗小,体积小;成本低。
结型场效应管
一、结构
N沟场效应管结构图
在漏极和源极之间加一个正电压,N大多数载流子电子型半导体都能导电。
导电沟为N型,称为N沟结型场效应管。
P沟场效应管结构图
P沟场效应管是在P型硅棒两侧制成高掺杂的N型区域(N+)导电沟为P型,大部分载流子为空穴。
二、工作原理
N沟通结型场效应改变U(GS)大小来控制漏极电流I(D)的。
将反向电压添加到栅极和源极之间,耗尽层会变宽,导电沟的宽度会降低,增加沟本身的电阻值和泄漏电流I(D)减少,反之,漏极I(D)增加电流。
耗尽层的宽度变化主要在沟区。
1.设U(DS)=0.在栅源之间加载电源V(GG),改变V(GG)大小。观察耗尽层的变化。
2.在泄漏极间加正向V(DD),使U(DS)>0.在网源之间加载电源V(GG),观察U(GS)变化时耗尽层和漏极I(D)。
U(GS)=0,U(DG)<,I(D)较大。 U(GS)<0,U(DG)<,I(D)较小。
注意:当U(DS)>0时,耗尽层呈楔形。
U(GS)<0,U(DG)=,I(D)更小,预夹断 U(GS)<=U(P),U(DG)>,I(D)≈0,夹断
(1)改变U(GS),改变了PN结中电场,控制I(D),所称场效应管;
(2)结型场效应管栅源之间的反向偏置电压PN因此,场效应管的输入电阻非常高。
三、特征曲线
1.转移曲线(N以沟通结型场效应管为例)
U(GS)=0,I(D)最大;
U(GS)越负,I(D)越小;
U(GS)=U(P),I(D)≈0;
两个重要参数:
1.夹断电压U(P)(I(D)=0时的U(GS))
2.饱和漏极电流I(DSS) (U(GS)=0时的I(D))
1.转移特性
结型场效应管转移特性曲线的近似公式:
2.漏极特性
当网源之间的电压U(GS)漏极电流不变I(D)电压与漏源之间U(DS)的关系,即
还有三个区域:可变电阻区、恒流区和击穿区。
场效应管的两组特征曲线相互连接,相应的转移特征可以通过作图的方法获得。
管栅极基本不取电流,其输入电阻很高,可达10^7Ω以上。若要获得较高的输入电阻,可采用绝缘型场效应管。
绝缘格栅场效应管
由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管MOS场效应管。
特点:输入电阻可达10^9Ω以上。
U(GS)=0时泄漏之间存在导电沟称耗尽场效应管;
U(GS)=导电沟称为增强电沟称为增强场效应管。
一、N沟道增强型MOS场效应管
1.结构
2.工作原理
绝缘场效应管利用U(GS)控制感应电荷的数量,改变这些感应电荷形成的导电沟的状态,以控制漏极电流I(D)。
工作原理分析
(1)U(GS)=0
漏源相当于两个背靠背PN结,无论漏源之间加入什么极性电压,总是不导电。
(2)U(DS)=0,0<U(GS)<U(T)
P靠近衬底的电子被吸引SIO2负离子组成的耗尽层与空穴复合。U(GS)耗尽层变宽。
(3)U(DS)=0,U(GS)>=U(T)
因为吸引了足够的电子,所以会耗尽曾和SIO2之间形成可移动的表面电荷层——反型层、N型导电沟。U(GS)升高,N沟通变宽U(DS)=0,所以I(D)=0。
U(T)开始形成反形层所需的U(GS),称开启电压。
(4)U(DS)对导电沟的影响(U(GS)>U(T))
a.U(DS)<U(GS)-U(T),即U(GD)=U(GS)-U(DS)>T(T)
导电沟呈楔形。漏极形成电流I(D)。
b.U(DS)=U(GS)-U(T),U(GD)=U(T)
靠近漏极沟达到临界开启程度,出现预夹断。
c.U(DS)>U(GS)-U(T),U(GD)<U(T)
夹断区的沟道电阻很大,U(DS)当导电沟两端的电压逐渐增加时,电压基本保持不变,I(D)所以基本不变。
、
3.特性曲线
(a)转移特性
U(GS)<U(T),I(D)=0;
U(GS)>=U(T),随着U(GS)的增加,I(D)逐渐增大。
(b)漏极特性
三个:可变电阻区、恒流区(或饱和区)、击穿区。
二、N沟道耗尽型MOS场效应管
制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入正离子,这些正离子电场在P型衬底中“感应”负电荷,形成“反型层”。及时U(GS)=0也会形成N型导电沟道。
U(GS)=0,U(DS)>0,产生较大的漏极电流;
U(GS)<0,绝缘层中正离子感应的负电荷减少,导电沟道变窄,I(D)减小;
U(GS)=-U(P),感应电荷被“耗尽”,I(D)≈0.
U(P)称为夹断电压。
N沟道耗尽型MOS管特性
工作条件:U(DS)>0,U(GS)正、负、零均可。
(a)转移特性
(b)漏极特性
mos管符号:
场效应管的主要参数
一、直流参数
1.饱和漏极电流I(DSS)
为耗尽型场效应管的一个重要参数。
2.夹断电压U(P)
为耗尽型场效应管的一个重要参数。
3.开启电压U(T)
为增强型场效应管的一个重要参数。
4.直流输入电阻R(GS)
输入电阻很高。结型场效应管一般在10^7Ω以上,绝缘栅场效应管更高,一般大于10^9Ω。
二、交流参数
1.低频跨导gm
用以描述栅源之间的电压U(GS)对漏极电流I(D)的控制作用。
单位:I(D)毫安;U(GS)伏;gm毫西门子(mS)
2.极间电容
这是场效应管三个电极之间的等效电容,包括C(GS)、C(GD)、C(DS)。极间电容越小,则管子的高频性能越好。一般为几个皮法。
三、极限参数
1.漏极最大允许耗散功率P(DM)
由场效应管允许的温升决定。漏极耗散功率转化为热能使管子的温度升高。
2.漏源击穿电压U(BR)DS
当漏极电流I(D急剧上升产生雪崩击穿时的U(DS).
3.栅源击穿电压U(BR)GS
场效应管工作时,栅源间PN结处于反偏状态,若U(GS)>U(BR)GS,PN将被击穿,这种击穿与电容击穿的情况类似,属于破坏性击穿。