iD将不再增加而基本保持不变。
因为VDS再增加时,近漏端上的预夹断点向s极延伸,使VDS的增加部分降落在预夹断区,以维持iD的大小,
。
伏安特性与电流方程:
(1)增强型NMOS管的转移特性:
在一定VDS下,栅-源电压VGS与漏极电流iD之间的关系:
IDO是VGS=2VT时的漏极电流。
(2)输出特性(漏极特性)
表示漏极电流iD漏-源电压VDS之间的关系:
。
与三极管的特性相似,也可分为3个区:
可变电阻区,放大区(恒流区、饱和区),截止区(夹断区)。
可变电阻区管子导通,但沟道尚未预夹断,即满足的条件为:
。
在可变电阻区iD仅受VGS的控制,而且随VDS增大而线性增大。
可模拟为受VGS控制的压控电阻RDS,
。
放大区(沟道被预夹断后),又称恒流区、饱和区。
条件是:
。
特征是iD主要受VGS控制,与VDS几乎无关,表现为较好的恒流特性。
夹断区又称截止区,管子没有导电沟道(VGS<VT)时的状态,
。
4.耗尽型NMOS管
在制造过程中,人为地在栅极下方的SiO2绝缘层中埋入了大量的K+(钾)或Na+(钠)等正离子;VGS=0,靠正离子作用,使P型衬底表面感应出N型反型层,将两个N+区连通,形成原始的N型导电沟道;VDS一定,外加正栅压(VGS>0),导电沟道变厚,沟道等效电阻下降,漏极电流iD增大;外加负栅压VGS<0)时,沟道变薄,沟道电阻增大,iD减小;VGS负到某一定值VGS(off)(常以VP表示,称为夹断电压),导电沟道消失,整个沟道被夹断,iD≈0,管子截止。
耗尽型NMOS的伏安特性:
放大区的电流方程:
,IDSS为饱和漏极电流,是VGS=0时耗尽型MOS管的漏极电流。
二、结型场效应管(JFET)
结构与符号:
在N区两侧扩散两个P+区,形成两个PN结。
两个P+区相连,引出栅极g。
N体的上下两端分别引出漏极d和源极s。
导电原理:
(1)VGS=0时,N型棒体导电沟道最宽(N型区)。
有了VDS后,沟道中的电流最大。
(2)VGS<0时,耗尽层加宽(主要向沟道一测加宽),并向沟道中间延伸,沟道变窄。
当VGS<VP(称为夹断电压)时,二个耗尽层增大到相遇,沟道消失,这时称沟道夹断,沟道中的载流子被耗尽。
若有VDS电压时,沟道电流也为零。
所以属于耗尽型FET,原理和特性与耗尽型MOSFET相似。
所不同的是JFET正常工作时,两个PN结必须反偏,如对N沟道JFET,要求VGS≤0。
加上负VGS电压和VDS电压以后,VGD的负压比VGS大,所以,二个反偏PN结的空间电荷区变得上宽下窄,使沟道形成楔形。
JFET通过VGS改变半导体内耗尽层厚度(沟道的截面积)控制iD,称为体内场效应器件;MOSFET主要通过改变衬底表层沟道的厚度来控制iD,称为表面场效应器件。
JFET的伏安特性(以N沟道JFET为例):
伏安特性曲线和电流方程与耗尽型MOSFET相似。
但VGS必定要反向偏置。
三、场效应管的主要参数
1.直流参数
开启电压VT:
增强型管的参数;夹断电压VP:
耗尽型管的参数;饱和漏极电流IDSS:
指耗尽型管在VGS=0时的漏极电流;输入电阻RGS(DC):
因iG=0,所以输入电阻很大。
JFET大于107Ω,MOS管大于1012Ω。
2.交流参数
低频跨导(互导)gm:
,跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力,且与工作点有关,是转移特性曲线上过Q点切线的斜率。
gm的单位是mS;交流输出电阻rds:
,rds反映了漏源电压对漏极电流的影响程度,在恒流区内,是输出特性曲线上过Q点的切线斜率的倒数。
其值一般为若几十kΩ。
3.极限参数
最大漏-源电压V(BR)DS:
漏极附近发生雪崩击穿时的VDS;最大栅-源电压V(BR)GS:
栅极与源极间PN结的反向击穿电压;最大耗散功率PDM:
同三极管的PCM相似,当超过PDM时,管子可能烧坏。
1.3.2场效应管放大电路
一、场效应管的直流偏置和静态工作点计算
1.自给栅偏压电路(只适用于耗尽型FET),Rg为栅极泄放电阻,泄放栅极感生电荷,通常取0.1MΩ~10MΩ。
Rs为源极偏置电阻,作用类似于共射电路的Re,可以稳定电路的静态工作点Q。
自偏压电路由于IG=0,所以Rg上无直流压降,VG=0。
由于耗尽型FET在VGS=0时存在导电沟道,所以电路有漏极电流ID,
。
2.分压式自偏压电路,适用于耗尽型和增强型FET。
,此式称为偏压线方程。
若VG>IDRs,则可适用于增强型管(N沟道);若VG<IDRs,则可适用于耗尽型MOS管或JFET。
静态工作点的计算
1.图解法求静态工作点:
由转移特性曲线和偏压线方程(为一直线)求输入回路的工作点;由输出特性曲线和直流负载线求输出回路的工作点。
2.估算法求静态工作点:
由FET的电流方程和偏压线方程两组方程联立求解,通常舍去不合题意的一组解,然后得到静态工作点。
二、场效应管放大与开关应用举例
电压传输特性:
用作放大器:
BCQD段:
VT<VGS<6V,FET工作在恒流区(放大区)内。
例如:
,
用作可控开关:
AB段:
VGS<VT,FET工作在截止区,VO=VDD;EFG段:
VGS>6V,FET工作在可变电阻区,VO≈0。
当VGS=9V时,工作点移至F点,MOS管工作于可变电阻区,VDS=0.2V,相当于开关接通;当VGS=0V时,工作点移至A,MOS管截止,VDS=12V,iD=0,相当于开关断开。
FET反相器的输入/输出波形:
用作压控电阻:
在可变电阻区,iD随VDS近似线性增加,且VDS与iD的比值(即RDS)受VGS控制,等效为压控电阻。