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结型场效应管-详解结型场效应管结构、分类及工作原理-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-07-03 

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结型场效应管

结型场效应管结构与符号

结型场效应管的结构如下图所示,在一块N型半导体材料的两边各扩散一个高杂质浓度的P+区,就形成两个不对称的P+N结,即耗尽层。把两 个P+区并联在一起,引出一个电极g,称为栅极,在N型半导体的两端各引出一个电极,分别称为源极s和漏极d。它们分别与三极管的基极b、发射极e和集电极c相对应。夹在两个P+N结中间的N区是电流的通道,称为导电沟道(简称沟道)。这种结构的管子称为N沟道和P沟道结型场效应管,它在电路中用下图所示的符号表示,栅极上的箭头表示栅-源极间的P+N结正向偏置时,栅极电流的方向(由P区指向N区)。

结型场效应管



N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管工作原理完全相同,现以N沟道结型场效应管为例,分析其工作原理。N沟道结型场效应管工作时,需要外加如图1所示的偏置电压(鼠标单击图1中“结型场效应管的工作原理”),即在栅-源极间加一负电压(vGS<0),使栅-源极间的P+N结反偏,栅极电流iG≈0,场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。在漏-源极间加一正电压 (vDS>0),使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动,形成漏极电流iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制,同时也受漏 -源电压vDS的影响。因此,讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对沟道电阻及漏极电流iD的控制作用,以及漏-源电压vDS对漏极电流iD 的影响。

结型场效应管



(1)栅极电压VGS对iD的控制作用

为便于讨论,先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。当栅-源电压vGS=0时,沟道较宽,其电阻较小,如图1(a)所示。当vGS<0,且其大小增加时,在这个反偏电压的作用下,两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区,因此,随着|vGS| 的增加,耗尽层将主要向N沟道中扩展,使沟道变窄,沟道电阻增大,如图1(b)所示。当|vGS|进一步增大到一定值|VP| 时,两侧的耗尽层将在沟道中央合拢,沟道全部被夹断,如图1(c)所示。由于耗尽层中没有载流子,因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大,即使加上一定的 电压vDS,漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压,用VP表示。上述分析表明,改变栅源电压vGS的大小,可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS,则漏极电流iD将受vGS的控制,|vGS|增大时,沟道电阻增大,iD减小。上述效应也可以看作是栅 -源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场,电场强度的大小控制了沟道的宽度,即控制了沟道电阻的大小,从而控制了漏极电流iD的大小。


结型场效应管




(2)漏电电压VDS对iD的影响

设vGS值固定,且VP

随着vDS的进一步增加,靠近漏极一端的P+N结上承受的反向电压增大,这里的耗尽层相应变宽,沟道电阻相应增加,iD随vDS上升的速度趋缓。当vDS增加到vDS=vGS-VP,即vGD=vGS -vDS=VP(夹断电压)时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢,如图2(b)所示,这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同,预夹断后,漏极电流iD≠0。因为这时沟道仍然存在,沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动,并被强电场拉向漏极。若vDS继续增加,使 vDS>vGS-VP,即vGD<VP时,耗尽层合拢部分会有增加,即自A点向源极方向延伸,如图2(c),夹断区的电阻越来越大,但漏极电流iD却基本 上趋于饱和,iD不随vDS的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大,vDS的增加量主要降落在夹断区电阻上,沟道电场强度增加不多,因而iD基本不变。但 当vDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后,漏极一端P+N结上反向电压将使P+N结发生雪崩击穿,iD会急剧增加,正常工作时vDS不能超过V(BR)DS。



结型场效应管



(3)从结型场效应管正常工作时的原理可知:

① 结型场效应管栅极与沟道之间的P+N结是反向偏置的,因此,栅极电流iG≈0,输入阻抗很高。

② 漏极电流受栅-源电压vGS控制,所以场效应管是电压控制电流器件。

③ 预夹断前,即vDS较小时,iD与vDS间基本呈线性关系;预夹断后,iD趋于饱和。P沟道结型场效应管工作时,电源的极性与N沟道结型场效应管的电源极性相反。


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