3.深入浅出结型场效应管原理应用——参考《模拟电子技术基础》清华大学华成英主讲

场效应管分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管,导电沟道分为N沟道P沟道,本文参考清华大学华成英《模拟电子技术基础》来进一步理解结型场效应管的工作原理。

结型场效应管内部结构

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可以这样记忆:
1.源极对应三极管的发射极,都是电子的来源,英文为source;
2.栅极对应三极管基极,英文是gate,意思是门,有开关的作用,控制GS的电压,就能控制场效应管工作的状态;
3.漏极对应三极管集电极,意味着电子漏出的地方,英文为drain,有排出的意思,对应于集电极收集电子的含义。

图中是N沟道,意思是存在大量的游离电子(多子),在三极管那节介绍了,电子带负电,negative,缩写N.图中只有源极G为P,漏极D和源极S都是N,相当于GS和GD都形成了一个PN结,回忆三极管的结构,N沟道这种场效应管是不是相当于一个NPN型三极管!只不过这里的栅极是对称布置的,这样是不是很好理解了?

耗尽层,根据字面意思也能理解,图中阴影部分,就是没有多余的自由电子和空穴。

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当GS加负电压时,相当于PN结加反向电压,N的电子远离耗尽层,是不是相当于耗尽层变宽了?耗尽层变宽,导电沟道就变窄了。图中的问题,为什么g-s必须加负电压?因为g-s是一个PN结,如果加反向电压,相当于一个大电阻,如果加正向电压PN结就导通了,电阻很小,失去了场效应管的意义了。这是结型场效应管的基本要素,GS之间加反向电压!

夹断电压:当GS之间的电压(为负,这很重要)负到一定程度,就产生了夹断,导电沟道宽度变为零。接下来就要讨论DS之间的电压对导电沟道的影响了!
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这张图让很多人难以理解,左上图,GD之间电压大于了夹断电压,为什么还没有夹断呢?这里一定要注意,GS,GD之间都是负电压,GD电压大于夹断电压,说明绝对值小于夹断电压的绝对值!所以还没有产生夹断,后面的都是要看绝对值的大小,才能理解图中的大小关系!

VDD增大,当没有产生夹断的时候,虽然沟道会变窄,但电阻增大不明显,所以电流iD还是会增加;
当VDD继续增加,产生了夹断,那VDD增加刚好和沟道的变窄导致的电阻增加想平衡,相当于欧姆定律I=U/R,U和R同时增加,电流iD保持不变。这就叫恒流区,意思是电流不随VDD增加而增加。**此时iD基本只随GS电压变化,这就是放大的基础!**见下图:

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从正负号和绝对值的角度,uDS>uGS-UGS(off) 怎么直观理解呢?DS是一个正电压,GS是负电压,DS的作用,加剧了GD之间的负电压差,使得靠近D极更容易产生夹断。为了工作在恒流区,就必须产生局部的夹断,DS的电压必须至少**“补齐”比产生夹断所需的电压差,现在由于GS的努力,只需要【uGS-UGS(off)】的电压就能夹断,其中uGS为负,-UGS(off)为正,加起来就是一个产生局部夹断所需的最小电压的绝对值**,这个绝对值是DS电压的最小值!

图中还说明了iD随uGS的变化,这就是放大区的原理。
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如果前面看懂了,这里也不难理解。
1.DS电压比较小时,没有使GD之间达到夹断电压,这时候在可变电阻区,注意读图,GS取了5个值,得到图中5条线,在可变电阻区,对应着5个电阻(一条斜率为一个电阻,欧姆定律),所以叫可变电阻区,引入一个低频跨导,如图式子。
2.DS继续增加,就产生了夹断,这时候DS再增加,电流也基本不会增加;
3.如果DS很大,那DS之间的电压很大,PN结的反向电压很大,就击穿了。

参考《模拟电子技术基础》清华大学华成英主讲https://www.bilibili.com/video/BV19s411a7KL?p=11

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