場效應(yīng)管是場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))的簡稱。主要有兩種類型(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。
二、場效應(yīng)管工作原理
場效應(yīng)管工作原理用一句話說,就是“漏極-源極間流經(jīng)溝道的ID,用以柵極與溝道間的pn結(jié)形成的反偏的柵極電壓控制ID”。更正確地說,ID流經(jīng)通路的寬度,即溝道截面積,它是由pn結(jié)反偏的變化,產(chǎn)生耗盡層擴(kuò)展變化控制的緣故。在VGS=0的非飽和區(qū)域,表示的過渡層的擴(kuò)展因?yàn)椴缓艽?,根?jù)漏極-源極間所加VDS的電場,源極區(qū)域的某些電子被漏極拉去,即從漏極向源極有電流ID流動(dòng)。從門極向漏極擴(kuò)展的過度層將溝道的一部分構(gòu)成堵塞型,ID飽和。將這種狀態(tài)稱為夾斷。這意味著過渡層將溝道的一部分阻擋,并不是電流被切斷。
在過渡層由于沒有電子、空穴的自由移動(dòng),在理想狀態(tài)下幾乎具有絕緣特性,通常電流也難流動(dòng)。但是此時(shí)漏極-源極間的電場,實(shí)際上是兩個(gè)過渡層接觸漏極與門極下部附近,由于漂移電場拉去的高速電子通過過渡層。因漂移電場的強(qiáng)度幾乎不變產(chǎn)生ID的飽和現(xiàn)象。其次,VGS向負(fù)的方向變化,讓VGS=VGS(off),此時(shí)過渡層大致成為覆蓋全區(qū)域的狀態(tài)。而且VDS的電場大部分加到過渡層上,將電子拉向漂移方向的電場,只有靠近源極的很短部分,這更使電流不能流通。
1、MOS場效應(yīng)管電源開關(guān)電路
MOS場效應(yīng)管也被稱為金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MetalOxideSemiconductor FieldEffectTransistor,MOSFET)。它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型也叫P溝道型。對于N溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上,同樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。場效應(yīng)管的輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制,可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時(shí)這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。
在二極管加上正向電壓(P端接正極,N端接負(fù)極)時(shí),二極管導(dǎo)通,其PN結(jié)有電流通過。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí),N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端,而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng),從而形成導(dǎo)通電流。同理,當(dāng)二極管加上反向電壓(P端接負(fù)極,N端接正極)時(shí),這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓,正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端,負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端,電子不移動(dòng),其PN結(jié)沒有電流通過,二極管截止。在柵極沒有電壓時(shí),由前面分析可知,在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過,此時(shí)場效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)(圖7a)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場效應(yīng)管柵極上時(shí),由于電場的作用,此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來而涌向柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中(見圖7b),從而形成電流,使源極和漏極之間導(dǎo)通??梢韵胂駷閮蓚€(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁,該橋的大小由柵壓的大小決定。
2、C-MOS場效應(yīng)管(增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管)
電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場效應(yīng)管和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道MOS場效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時(shí),P溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時(shí),N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道MOS場效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作,其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時(shí)由于漏電流的影響,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時(shí),MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱?,使得該電路不?huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。
三、場效應(yīng)管的作用
1、場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合電容可以容量較小,不必使用電解電容器。
2、場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。
3、場效應(yīng)管可以用作可變電阻。
4、場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。
5、場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。
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