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    場(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管的比較
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  •   發(fā)布日期: 2018-12-19  瀏覽次數(shù): 1,516

    場(chǎng)效應(yīng)管與晶體三極管的比較  

    場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件,而晶體管是電流控制元件.在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下,應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管;而在信號(hào)電壓較低,又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下,應(yīng)選用晶體管.

     

      晶體三極管與場(chǎng)效應(yīng)管工作原理完全不同,但是各極可以近似對(duì)應(yīng)以便于理解和設(shè)計(jì):

     

      晶體管: 基極 發(fā)射極 集電極

     

      場(chǎng)效應(yīng)管 : 柵極 源極 漏極

     

      要注意的是,晶體管(NPN型)設(shè)計(jì)發(fā)射極電位比基極電位低(約0.6V),場(chǎng)效應(yīng)管源極電位比柵極電位高(約0.4V)。

     

      場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電,所以稱之為單極型器件,而晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電,被稱之為雙極型器件.

     

      有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負(fù),靈活性比晶體管好.

     

      場(chǎng)效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上,因此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用.

     

      一、場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理及特性 場(chǎng)效應(yīng)管有結(jié)型和絕緣柵兩種結(jié)構(gòu),每種結(jié)構(gòu)又有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電溝道。

     

      1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)

     

     ?。?)結(jié)構(gòu)原理 它的結(jié)構(gòu)及符號(hào)見圖1。在N型硅棒兩端引出漏極D和源極S兩個(gè)電極,又在硅棒的兩側(cè)各做一個(gè)P區(qū),形成兩個(gè)PN結(jié)。在P區(qū)引出電極并連接起來(lái),稱為柵極Go這樣就構(gòu)成了N型溝道的場(chǎng)效應(yīng)管 

     

      圖1、N溝道結(jié)構(gòu)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)

     

      由于PN結(jié)中的載流子已經(jīng)耗盡,故PN基本上是不導(dǎo)電的,形成了所謂耗盡區(qū),從圖1中可見,當(dāng)漏極電源電壓ED一定時(shí),如果柵極電壓越負(fù),PN結(jié)交界面所形成的耗盡區(qū)就越厚,則漏、源極之間導(dǎo)電的溝道越窄,漏極電流ID就愈??;反之,如果柵極電壓沒(méi)有那么負(fù),則溝道變寬,ID變大,所以用柵極電壓EG可以控制漏極電流ID的變化,就是說(shuō),場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件。

     

     ?。?)特性曲線

     

      1)轉(zhuǎn)移特性

     

      圖2(a)給出了N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓---漏流特性曲線,稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,它和電子管的動(dòng)態(tài)特性曲線非常相似,當(dāng)柵極電壓VGS=0時(shí)的漏源電流。用IDSS表示。VGS變負(fù)時(shí),ID逐漸減小。ID接近于零的柵極電壓稱為夾斷電壓,用VP表示,在0≥VGS≥VP的區(qū)段內(nèi),ID與VGS的關(guān)系可近似表示為:

     

      ID=IDSS(1-|VGS/VP|)

     

      其跨導(dǎo)gm為:gm=(△ID/△VGS)|VDS=常微(微歐)|

     

      式中:△ID------漏極電流增量(微安)

     

      ------△VGS-----柵源電壓增量(伏)

     

      圖2、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管特性曲線

     

      2)漏極特性(輸出特性)

     

      圖2(b)給出了場(chǎng)效應(yīng)管的漏極特性曲線,它和晶體三極管的輸出特性曲線 很相似。

     

     ?、倏勺冸娮鑵^(qū)(圖中I區(qū))在I區(qū)里VDS比較小,溝通電阻隨柵壓VGS而改變,故稱為可變電阻區(qū)。當(dāng)柵壓一定時(shí),溝通電阻為定值,ID隨VDS近似線性增大,當(dāng)VGS<VP時(shí),漏源極間電阻很大(關(guān)斷)。IP=0;當(dāng)VGS=0時(shí),漏源極間電阻很?。▽?dǎo)通),ID=IDSS。這一特性使場(chǎng)效應(yīng)管具有開關(guān)作用。

     

      ②恒流區(qū)(區(qū)中II區(qū))當(dāng)漏極電壓VDS繼續(xù)增大到VDS>|VP|時(shí),漏極電流,IP達(dá)到了飽和值后基本保持不變,這一區(qū)稱為恒流區(qū)或飽和區(qū),在這里,對(duì)于不同的VGS漏極特性曲線近似平行線,即ID與VGS成線性關(guān)系,故又稱線性放大區(qū)。

     

      ③擊穿區(qū)(圖中Ⅲ區(qū))如果VDS繼續(xù)增加,以至超過(guò)了PN結(jié)所能承受的電壓而被擊穿,漏極電流ID突然增大,若不加限制措施,管子就會(huì)燒壞。

     

      2、絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管

     

      它是由金屬、氧化物和半導(dǎo)體所組成,所以又稱為金屬---氧化物---半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管,簡(jiǎn)稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管。

     

      (1)結(jié)構(gòu)原理

     

      它的結(jié)構(gòu)、電極及符號(hào)見圖3所示,以一塊P型薄硅片作為襯底,在它上面擴(kuò)散兩個(gè)高雜質(zhì)的N型區(qū),作為源極S和漏極D。在硅片表覆蓋一層絕緣物,然后再用金屬鋁引出一個(gè)電極G(柵極)由于柵極與其它電極絕緣,所以稱為絕緣柵場(chǎng)面效應(yīng)管。

     

      圖3、N溝道(耗盡型)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及符號(hào)

     

      在制造管子時(shí),通過(guò)工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子,故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷,這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通,形成了導(dǎo)電溝道,即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時(shí),溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變,導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變,因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

     

      場(chǎng)效應(yīng)管的式作方式有兩種:當(dāng)柵壓為零時(shí)有較大漏極電流的稱為耗散型,當(dāng)柵壓為零,漏極電流也為零,必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流的稱為增強(qiáng)型。

     

     ?。?)特性曲線

     

      1)轉(zhuǎn)移特性(柵壓----漏流特性)

     

      圖4(a)給出了N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移行性曲線,圖中Vp為夾斷電壓(柵源截止電壓);IDSS為飽和漏電流。

     

      圖4(b)給出了N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管的轉(zhuǎn)移特性曲線,圖中Vr為開啟電壓,當(dāng)柵極電壓超過(guò)VT時(shí),漏極電流才開始顯著增加。

     

      2)漏極特性(輸出特性)

     

      圖5(a)給出了N溝道耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線。

     

      圖5(b)為N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線 。 

     

      圖4、N溝道MOS場(chǎng)效管的轉(zhuǎn)移特性曲線

     

      圖5、N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性曲線

     

      此外還有N襯底P溝道(見圖1)的場(chǎng)效應(yīng)管,亦分為耗盡型號(hào)增強(qiáng)型兩種,

     

      各種場(chǎng)效應(yīng)器件的分類,電壓符號(hào)和主要伏安特性(轉(zhuǎn)移特性、輸出特性) 二、場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù) 

     

      1、夾斷電壓VP

     

      當(dāng)VDS為某一固定數(shù)值,使IDS等于某一微小電流時(shí),柵極上所加的偏壓VGS就是夾斷電壓VP。

     

      2、飽和漏電流IDSS

     

      在源、柵極短路條件下,漏源間所加的電壓大于VP時(shí)的漏極電流稱為IDSS。

     

      3、擊穿電壓BVDS

     

      表示漏、源極間所能承受的最大電壓,即漏極飽和電流開始上升進(jìn)入擊穿區(qū)時(shí)對(duì)應(yīng)的VDS。

     

      4、直流輸入電阻RGS

     

      在一定的柵源電壓下,柵、源之間的直流電阻,這一特性有以流過(guò)柵極的電流來(lái)表示,結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的RGS可達(dá)1000000000歐而絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的RGS可超過(guò)10000000000000歐。

     

      5、低頻跨導(dǎo)gm

     

      漏極電流的微變量與引起這個(gè)變化的柵源電壓微數(shù)變量之比,稱為跨導(dǎo),即

     

      gm= △ID/△VGS

     

      它是衡量場(chǎng)效應(yīng)管柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力的一個(gè)參數(shù),也是衡量放大作用的重要參數(shù),此參靈敏常以柵源電壓變化1伏時(shí),漏極相應(yīng)變化多少微安(μA/V)或毫安(mA/V)來(lái)表示 

     

      -------------------------------------------------------------------------------------------

     

      金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)三極管的基本工作原理是靠半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)效應(yīng),在半導(dǎo)體中感生出導(dǎo)電溝道來(lái)進(jìn)行工作的。當(dāng)柵 g 電壓vg 增大時(shí), p 型半導(dǎo)體表面的多數(shù)載流子棗空穴減少、耗盡,而電子積累到反型。當(dāng)表面達(dá)到反型時(shí),電子積累層將在 n+ 源區(qū) s 和 n+ 漏區(qū) d 形成導(dǎo)電溝道。當(dāng) vds ≠ 0 時(shí),源漏電極有較大的電流ids流過(guò)。使半導(dǎo)體表面達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)所需加的柵源電壓稱為閾值電壓vt。當(dāng) vgs>vt并取不同數(shù)值時(shí),反型層的導(dǎo)電能力將改變,在的vds下也將產(chǎn)生不同的ids, 實(shí)現(xiàn)柵源電壓vgs對(duì)源漏電流ids的控制。

     

      場(chǎng)效應(yīng)管(fet)是電場(chǎng)效應(yīng)控制電流大小的單極型半導(dǎo)體器件。在其輸入端基本不取電流或電流極小,具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn),在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被應(yīng)用。 

     

      fet和雙極型三極管相類似,電極對(duì)應(yīng)關(guān)系是b®g、e®s、c®d;由fet組成的放大電路也和三極管放大電路相類似,三極管放大電路基極回路一個(gè)偏置電流(偏流),而fet放大電路的場(chǎng)效應(yīng)管柵極沒(méi)有電流,fet放大電路的柵極回路一個(gè)合適的偏置電壓(偏壓)。 

     

      fet組成的放大電路和三極管放大電路的主要區(qū)別:場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型器件,靠柵源的電壓變化來(lái)控制漏極電流的變化,放大作用以跨導(dǎo)來(lái);三極管是電流控制型器件,靠基極電流的變化來(lái)控制集電極電流的變化,放大作用由電流放大倍數(shù)來(lái)。 

     

      場(chǎng)效應(yīng)管放大電路分為共源、共漏、共柵極三種組態(tài)。在分析三種組態(tài)時(shí),可與雙極型三極管的共射、共集、共基對(duì)照,體會(huì)二者間的相似與區(qū)別之處。


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