模拟电子技术Ⅲ-场效应管的分析

news2024/11/29 2:50:47

场效应管的定义

场效应管是单极性管:参与导电的是多数载流子,要么是自由电子,要么是空穴,
场效应管有三个极:源极(s)、栅极(g)、漏极(d), 对应于晶体管的e(发射极), b(基极),c(集电极)有三个工作区域:截止区、恒流区、可变电阻区,对应于晶体管的截止区、放大区、饱和区。

场效应管的分类

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书中主要研究了绝缘栅型的场效应管,它使用的更加广泛。

绝缘栅型场效应管

N沟道绝缘栅型场效应管

构成:杂质较低的的P型硅片作衬底,利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N型半导体。
两个N区引出两个电极,分别为源极(source)和漏极(drain)。P型半导体的表面有一层SiO2绝缘层,在绝缘层上引出一个金属电极作为栅极(gate)。栅极和其他电极是绝缘的,因此称为绝缘栅型场效应管。
结构如下所示:
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其中栅极(g)对应三极管的基极(base),源极(s)对应三极管的发射极(emitter),漏极(d,载流子的流出极)对应三极管的集电极(collect)。B是衬底。

工作原理

由于场效应管是NPN型,因此无论uds的值和极性如何,场效应管都不可能有电流产生。
因为两个PN结一个导通,一个必然截止。如图所示:
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此时考虑UGS=0,对UGS的影响,可以在栅极加电压。
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如图所示:当g极加了正向电压后
(1) 若0<VGS<VGS(th)时,通过栅极和衬底间形成的电容电场作用,将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层;
同时将吸引其中的少子向表层运动,但数量有限,不足以形成导电沟道,将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流ID。
(2) 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。
如图b所示:少子自由电子被吸上去,自由电子构成了反向层。(因为多数载流子为空穴,而在这里起作用的是少子(电子),因此称为反型层)。

当UGS越大的时候,沟道越宽。因为电压越大,自由电子的数目会越多,因此导电性能增强,相当于沟道的导通电阻变小。

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,所以,这种MOS管称为增强型MOS管,同时场效应管是电压控制元件。(Ugs的大小控制id电流的大小)。

(3) VGS>VGS(th)且为固定的值时、VDs>0。
由于ds之间存在导通电阻,因此当给d-s之间加正向电压时,将会产生一定的漏极电流。当uds的值较小时,随着uds的增大,id线性增大。(因为Id=Uds/Rgs,当uds增大的时候,id同样也增大)。
当Uds不断增大的时候,d,s的电位不相等。此时Vgs的电压差和之前的一样,而Vgd=Vgs-Vds,随着uds的不断增大,ugd两点的电压差不断减少,直到Vgd的值等于Vgs(th)时,就会发生预夹断。
(注意这里不会真的夹断,因为一旦夹断,没有电流以后沟道的电压就和衬底一样了,在Ugs作用下又会打开沟道,所以不会真的夹断)
此时,再增加uds的值,缝隙会变长(夹断区会增大),对应rgs的阻值就会增大,由于Id=Uds/Rgs,上下同时增大,因此id的值不会发生任何变化。
(注意:ugs的增大基本全部用于克服rds,因此才外部来看就是进入了恒流区,因为id基本不变)
下面有解释:
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对应的特性曲线如下图所示:
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总结:
1.Ugs<Ugs(th),d和s之间截止,沟道没有形成,什么都不用谈。

2.Ugs>Ugs(th)且Uds没有达到预夹断电压,d和s之间表现为一个电阻,这个电阻的大小由Ugs决定,这个区域称为可变电阻区,在这个区域里面你可以得到一个可变电阻器。

3.当你的Uds足够大出现预夹断之后,事情并没有变坏,事情进入了另一个境界,你的Ugs可以控制iD了。

绝缘栅N沟道增强型场效应管,N沟道指的是沟道的载流子是“自由电子 增强型指的是什么?指的是:有Ugs>Ugs(th)这个增强过程,他才能导通。

绝缘栅型场效应管的符号

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(1)栅极是绝缘的,所以和谁都不相连;DS之间没有沟道,需要增强才能产生;因此用虚线连接。
(2) 箭头的指向是PN结方向,B是衬底。对于N沟道的场效应管,衬底是P,因此由B指向D和S。

绝缘栅耗尽层型MOS管

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注意点:SiO2带有正电荷,因此会吸引衬底表面的负电荷。不需要人为的增加UGS,产生正电荷。
这里的夹断电压为负值,也被称为关断电压。当UGS的值小于UGS(off)时,沟道就会消失。

对应的放大电路

三种接法
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基本共源放大电路:
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VGG的作用:提供UGS,使得UGS>UGS(th),产生沟道。
输出回流加入VDD,使得漏源之间的电压大于预夹断电压,保证管子工作在恒流区。
Rd:将漏极电流id的变化转化成电压UDS的变化,实现电压放大。

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