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 技术资料参考:          

场效应管技术文档 功率模块图
LM78XX 系列固定输出三端稳压器  LM79XX 系列固定输出三端稳压器
双极型晶体管封装外形尺寸图  
 
  场效应管技术文档:

  1.什么叫场效应管?

Fffect Transistor的缩写,即为场效应晶体管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。FET应用范围很广,但不能说现在普及的双极型晶体管都可以用FET替代。然而,由于FET的特性与双极型晶体管的特性完全不同,能构成技术性能非常好的电路。

 2. 场效应管的特征:

  
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(a) JFET的概念图

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(b) JFET的符号

图1  JFET的概念图、符号

     图1(b)门极的箭头指向为p指向 n方向,分别表示内向为n沟道JFET,外向为p沟道JFET。
     图1(a)表示n沟道JFET的特性例。以此图为基础看看JFET的电气特性的特点。

   首先,门极-源极间电压以0V时考虑(VGS =0)。在此状态下漏极-源极间电压VDS 从0V增加,漏电流ID几乎与VDS 成比例增加,将此区域称为非饱和区。VDS 达到某值以上漏电流ID 的变化变小,几乎达到一定值。此时的ID 称为饱和漏电流(有时也称漏电流用IDSS 表示。与此IDSS 对应的VDS 称为夹断电压VP ,此区域称为饱和区。
   其次在漏极-源极间加一定的电压VDS (例如0.8V),VGS 值从0开始向负方向增加,ID 的值从IDSS 开始慢慢地减少,对某VGS ID =0。将此时的VGS 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压,用VGS (off)示。n沟道JFET的情况则VGS (off) 值带有负的符号,测量实际的JFET对应ID =0的VGS 因为很困难,在放大器使用的小信号JFET时,将达到ID =0.1-10μA 的VGS 定义为VGS (off) 的情况多些。 关于JFET为什么表示这样的特性,用图作以下简单的说明。 

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     JFET的工作原理用一句话说,就是"漏极-源极间流经沟道的ID ,用以门极与沟道间的pn结形成的反偏的门极电压控制ID "。更正确地说,ID 流经通路的宽度,即沟道截面积,它是由pn结反偏的变化,产生耗尽层扩展变化控制的缘故。
    在VGS =0的非饱和区域,图10.4.1(a)表示的过渡层的扩展因为不很大,根据漏极-源极间所加VDS的电场,源极区域的某些电子被漏极拉去,即从漏极向源极有电流ID 流动。达到饱和区域如图10.4.2(a)所示,从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型,ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡,并不是电流被切断。
    在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动,在理想状态下几乎具有绝缘特性,通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场,实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近,由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。
    如图10.4.1(b)所示的那样,即便再增加VDS ,因漂移电场的强度几乎不变产生ID 的饱和现象。
    其次,如图10.4.2(c)所示,VGS 向负的方向变化,让VGS =VGS (off) ,此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS 的电场大部分加到过渡层上,将电子拉向漂移方向的电场,只有靠近源极的很短部分,这更使电流不能流通。


  3.场效应管的分类和结构:

    FET根据门极结构分为如下两大类。其结构如图3所示:

             面结型FET(简化为JFET)                 门极绝缘型FET(简化为MOS FET)

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图3. FET的结构


    各种结构的FET均有门极、源极、漏极3个端子,将这些与双极性晶体管的各端子对应如表1所示。

FET

双极性晶体管

漏极

集电极

门极

基极
源极 发射极
JFET是由漏极与源极间形成电流通道(channel)的p型或n型半导体,与门极形成pn结的结构。
另外,门极绝缘型FET是通道部分(Semicoductor)上形成薄的氧化膜(Oxide),并且在其上形成门极用金属薄膜(Metal)的结构。从制造门极结构材质按其字头顺序称为MOS FET。
根据JFET、MOS FET的通道部分的半导体是p型或是n型分别有p沟道元件,n沟道元件两种类型。
图3均为n沟道型结构图。

  4.场效应管的传输特性和输出特性:

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图4 JFET的特性例(n沟道)

   从图4所示的n沟道JFET的特性例来看,让VGS 有很小的变化就可控制ID 很大变化的情况是可以理解的。采用JFET设计放大器电路中,VGS 与ID 的关系即传输特性是最重要的,其次将就传输特性以怎样方式表示加以说明。

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图5 传输特性

这个传输特性包括JFET本身的结构参数,例如沟道部分的杂质浓度和载体移动性,以致形状、尺寸等,作为很麻烦的解析结果可导出如下公式(公式的推导略去)


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10.4.1

作为放大器的通常用法是VGS 、VGS (off) < 0(n沟道),VGS 、VGS (off) >0(p沟道)。式(10.4.1)用起来比较困难,多用近似的公式表示如下


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将此式就VGS 改写则得下式

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上(10.4.2)   下(10.4.3)
若说式(10.4.2)是作为JFET的解析结果推导出来的,不如说与实际的JFET的特性或者式(10.4.1)很一致的作为实验公式来考虑好些。图5表示式(10.4.1)、式(10.4.2)及实际的JFET的正规化传输特性,即以ID /IDSS为纵坐标,VGS /VGS (off) 为横坐标的传输特性。n沟道的JFET在VGS < 0的范围使用时,因VGS(off) < 0,VGS /VGS(off) >0,但在图5上考虑与实际的传输特性比较方便起见,将原点向左方向作为正方向。但在设计半导体电路时,需要使用方便且尽可能简单的近似式或实验式。
传输特性相当于双极性晶体管的VBE -IE特性,但VBE -IE 特性是与高频用、低频用、功率放大用等用途及品种无关几乎是同一的。与此相反,JFET时,例如即使同一品种IDSS、VGS(off)的数值有很大差异,传输特性按各产品也不同。

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