前导
对比前面讲的三极管。
1.晶体三极管,双极性的,多子少子都参与导电,因为有少子参与,所以受温度影响比较大。而场效应管导电只有多子参与导电,所以受温度影响比较小。
2.三极管是电流IB控制IC,有电流IB的控制,控制端就有功率的损耗,整体上增加的了损耗。而场效应管管输入端的电阻非常大,基本没有电流所以省去了控制端功率的损耗。
场效应管
1.结型场效应管 JFET
2.绝缘栅型场效应管(主讲这个)1962年造出来的,又称MOSFET,简称MOS管,在这个基础上建出来了CMOS电路。
N沟道增强型MOS管
结构
g极下面是二氧化硅,N型半导体和P衬底之间的是PN结。
g 栅极(控制极) s源极(载流子源泉) d 漏极(载流子的漏出处)
对应三极管b e c理解
因为栅极和谁都绝缘,所以叫做绝缘栅。它爬在二氧化硅上
工作原理
提出问题:
源极的电子怎么跑到漏极?没有渠道是怎么跑过去的?电子透过PN结直接跑到P型半导体就死掉了,那源极电子是怎么跑到漏极的呢?
且看下图
衬底与s相连。与地连接在一起的地方叫做源极,如果有四个极,那么衬底就是没连,这个时候源极和漏极是可以互换的。但是一旦衬底与某一个连了,那么一般称相连的那个就是源极,考究其原因。
1)Uds=0的时候,s与衬底相连,Ugs>0的时候,图a,因为Ugs大于0,在电场力的作用下,将二氧化硅下面的空穴全部踢走了,下面成为了一个耗尽层,Ugs持续增大的时候,空穴踢跑自由电子吸上去了,就是图b,形成了一个沟道(反型层),自由电子形成的沟道,所以叫做N沟道。沟道宽度与Ugs电压有关,成正比,沟道的宽窄决定了ds两极之间的电阻的大小,ds之间就得到了一个可以用电压控制的可变电阻器。Ugs决定了Rds。
2.沟道形成得电压叫做Ugs(th)开启电压,沟道形成之后保持Ugs保持不变,此时想让ds之间有电流,就在ds两边加电压,如下图
看图a,随着Uds得逐渐增大,漏极慢慢变窄了,Id逐渐增大,此时的Id受Uds的控制,但是为什么会变窄呢,先看s极,s极一开始与衬底相连,两边点位相等,此时s极与漏极沟道两侧的电势差都是Ugs,当给d加电压Uds时,d的电势变成了Ud,所以此时d侧的沟道下方电位不再是s,变成了Ud,所以此时沟道右侧的电势差是Ug-Ud。
图b,d侧沟道慢慢闭合了,此时的Ugs-Uds=Ugs(th),此时叫做预夹断,不会真的夹断,动态平衡,因为夹断之后没电流了,没有电流就没有压降,此时沟道又会打开(这块不是很清晰,有待各位大神补充),此时Uds再增加,缝隙变长图c,Rds电阻变大,此时Id几乎不变了(恒流),因为增加的电压都去抵抗增加的Rds了,此时的Id只和Ugs的大小有关。此时Id的大小与Ugs之间的电压成比例。
N沟道耗尽型MOS管
和结型类似。
让上面一层二氧化硅里面带正电,天生有沟道。对比增强型。
Ugs(off),夹断电压。当Ugs>Ugs(off),此时都有沟道。N型的Ugs(off)是负的很好理解。
结型场效应管
两个高浓度的P型半导体。
Ugs加反压,(PN结)耗尽层变宽,沟道变窄
图c加到夹断。Ugs(off)真夹断,不是预夹断。
这里的图c是预夹断,出现恒流区。
问题
1.Uds>0的时候为什么上面变窄了,类比绝缘栅型,因为上面的电势差变成了Ug-Ud,而下面的电势差还是Ug-Us。Ud>Us,所以上面反偏电压变大,而值变小Ug本就是负的,减去Ud之后更小了,所以耗尽层变宽,沟道变窄。
2.Ugs为什么要小于0,因为若是大于0PN结就导通了,就不存在耗尽层了。所以想要使用就必须使Ugs必须反偏也就是小于0。
结型不容易坏,绝缘栅型的那层二氧化硅很薄,那块相当于一个电容,容易打穿。
特性曲线
1.转移特性曲线
为什么使转移特性曲线,因为场效应管不同于三极管,没有输入特性曲线,输入端几乎没有电流,所以画Ugs与Id之间的曲线,叫做转移特性曲线。如下
图a,转移特性曲线,此时的Uds一定工作在横流区,因为此时的Id与Ugs是成比例的,如果工作在可变电阻区,Id的大小以Ugs和Uds之间都有关系。
IDO可以与Id得到一个方程。
上图b,输出特性曲线对比上面讲的就很好理解了。
这个是结型的输出特性曲线,为什么是结型?,因为没有Ugs>0的曲线,为什么有下限,因为在往下大的话可能会把PN结击穿。
结型的转移特性曲线,全部都在负向,反向电压越小,沟道越宽,Id越大,但不能超过0。
看图要达到都能分清楚的地步。
场效应管的参数
电子发烧友上的非常详细
1.直流参数
Ugs(th) 增强型
Ugs(off)结型或者耗尽型
Idss 耗尽型和结型
Rgs(dc)直流>10的九次方欧姆
2.交流参数
跨导(低频)gm=ΔiD/ΔUGS|UDS为常数,转移特性曲线某一点切线的斜率。对比二极管伏安特性曲线加交流信号的思路。
极间电容,pf级,高频电路要考虑
3.极限参数
①最大漏极电流是指管子正常工作时漏极电流允许的上限值,
②最大耗散功率是指在管子中的功率,受到管子最高工作温度的限制,
③最大漏源电压是指发生在雪崩击穿、漏极电流开始急剧上升时的电压,
④最大栅源电压是指栅源间反向电流开始急剧增加时的电压值。
4.使用时主要关注的参数有:
1、IDSS—饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,栅极电压UGS=0时的漏源电流。
2、UP—夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中,使漏源间刚截止时的栅极电压。
3、UT—开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压。
4、gM—跨导。是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力,即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。
5、BUDS—漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时,场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数,加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。
6、PDSM—最大耗散功率。也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时,场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。
7、IDSM—最大漏源电流。是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM。