模拟电路网络课件 第十七节:结型场效应管

4.1 结型场效应管

4.1.1 结型场效应管的结构与工作原理

一、结型场效应管的结构

如图1(a)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沟道结型场效应管，它在电路中用图1(b)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）。

 N沟道JFET的结构剖面图

图2

如果在一块P型半导体的两边各扩散一个高杂质浓度的N+区，就可以制成一个P沟道的结型场效应管。图2给出了这种管子的结构示意图和它在电路中的代表符号。

由结型场效应管代表符号中栅极上的箭头方向，可以确认沟道的类型。

二、工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，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。(再单击图1中“结型场效应管的工作原理”，并分别单击其下方的三排热字)

详细说明：

1．vGS对沟道电阻及iD的控制作用

(a)  vGS=0的情况                       (b)  VP<vGS<0的情况

  (c)  vGS≤VP

图2

图2所示电路说明了vGS对沟道电阻的控制作用。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2(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2(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2(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。

2．vDS对iD的影响

(a)vDS<vGS-VP的情况                         (b)vDS=vGS-VP的情况

(c)vDS>vGS-VP的情况

图3

设vGS值固定，且VP<vGS<0。当漏-源电压vDS从零开始增大时，沟道中有电流iD流过。由于沟道存在一定的电阻，因此，iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最大(为 |vGD| )，即加到该处P+N结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形，如图3(a)所示。

在vDS较小时，它对iD的影响应从两个角度来分析：一方面vDS增加时，沟道的电场强度增大，iD随着增加；另一方面，随着vDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，iD应该下降，但是在vDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即vDS对沟道电阻影响不大，故iD随vDS增加而几乎呈线性地增加。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3(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3(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。

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。

4.1.2 结型场效应管的曲线及参数

详细文字说明:

3、主要参数

（1）. 夹断电压VP

当vDS为某一固定值(例如10V)，使iD等于某一微小电流(例如50mA)时，栅-源极间所加的电压即夹断电压。

（2）. 饱和漏极电流IDSS

在vGS=0的条件下，场效应管发生预夹断时的漏极电流。 IDSS是结型场效管管子所能输出的最大电流。

（3）. 直流输入电阻RGS

它是在漏-源极间短路的条件下，栅-源极间加一定电压时，栅-源极间的直流电阻。

（4）. 低频跨导gm

当vDS为常数时，漏极电流的微小变化量与栅-源电压vGS的微小变化量之比为跨导，即                        

gm反映了栅-源电压对漏极电流的控制能力，是表征场效应管放大能力的一个重要参数。单位为西门子(s)，有时也用ms或μs表示。需要指出的是，gm与管子的工作电流有关，iD越大，gm就越大。在放大电路中，场效应管工作在饱和区(恒流区)，gm可由式和 求得，即 

（5）. 输出电阻rd

当vGS为常数时，漏-源电压的微小变化量与漏极电流iD的微小变化量之比为输出电阻rd，即

rd反映了漏-源电压vDS对iD的影响。在饱和区内，iD几乎不随vDS而变化，因此，rd数值很大，一般为几十千欧~几百千欧。

（6）. 极间电容Cgs、Cgd、Cds

Cgs是栅-源极间存在的电容，Cgd是栅-漏极间存在的电容。它们的大小一般为1~3pF，而漏-源极间的电容Cds约为0.1~1pF。在低频情况下，极间电容的影响可以忽略，但在高频应用时，极间电容的影响必须考虑。

（7）. 最大漏-源电压V(BR)DS

指管子沟道发生雪崩击穿引起iD急剧上升时的vDS值。V(BR)DS的大小与vGS有关，对N沟道而言，|vGS|的值越大，则V(BR)DS越小。

（8）. 最大栅-源电压V(BR)GS

指栅-源极间的PN结发生反向击穿时的vGS值，这时栅极电流由零而急剧上升。

（9）. 漏极最大耗散功率PDM

漏极耗散功率PD(=vDSiD)变为热能使管子的温度升高，为了限制管子的温度，就需要限制管子的耗散功率不能超过PDM。PDM的大小与环境温度有关。

除了以上参数外，结型场效应管还有噪声系数，高频参数等其他参数。结型场效应管的噪声系数很小，可达1.5dB以下。