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结型场效应管工作原理图【简单通俗易懂】

发布时间:2020-02-18 12:16人气:

结型场效应管工作原理图以及结型场效应管工作原理介绍

结型场效应管工作原理图【简单通俗易懂】配图第1张


结型场效应管工作原理图【简单通俗易懂】配图第2张


从结型场效应管的结构已经看出,在栅极和导电沟道之间存在一个pn结。假设在栅极和源极之间加上反向电压ugs,使pn结反向偏置,则可以通过改变ugs的大小来改变耗尽层的宽度。

例如,当反向电压的值|ugs|变大时,耗尽层将变宽,于是导电沟道的宽度相应地减小,使沟道本身的电阻值增大,于是,漏极电流id将减少。所以,通过改变ugs的大小,即可控制漏极电流id的值。


由于导电沟道的半导体材料(例如n区)掺杂程度相对比较低,而栅极一边(例如p+区)的掺杂程度很高,因此当反向偏置电压值升高时,耗尽层总的宽度将随之增大。但交界面两侧耗尽层的宽度并不相等。因此,掺杂程度低的n型导电沟道中耗尽层的宽度比高掺杂的p+区栅极一侧耗尽层的宽度大得多。可以认为,当反向偏置电压增大时,耗尽层主要向着导电沟道一侧展宽。


改变栅极和源极之间的电压ugs,即可控制漏极电流id。这种器件利用栅极和源极这宰的电压ugs平改变pn结中的电场,然后控制漏极电流id,故称为场效应管。对于结型场效应管来说,总是在栅极和源极之间加一个反抽偏置电压,使pn结反向偏置,此时可以认为栅极基本上不取电流,因此,场效应管的输入电阻很高。


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。

结型场效应管工作原理图【简单通俗易懂】配图第3张


(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。

结型场效应管工作原理图【简单通俗易懂】配图第4张


(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。

结型场效应管工作原理图【简单通俗易懂】配图第5张


(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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