三極管的開關(guān)特性

在脈沖與數(shù)字電路中，三極管作為最基本的開關(guān)元件得到了普遍的應(yīng)用。三極管工作在飽和狀態(tài)時(shí)，其UCES≈0，相當(dāng)于開關(guān)的接通狀態(tài)；工作在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，IC≈0，相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)，因此，三極管可當(dāng)做開關(guān)器件使用。

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管（Fjeld Effect Transistor簡(jiǎn)稱FET ）是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體中電流的一種半導(dǎo)體器件，故因此而得名。場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件，只依靠一種載流子參與導(dǎo)電，故又稱為單極型晶體管。與雙極型晶體三極管相比，它具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)、功耗小、制造工藝簡(jiǎn)單和便于集成化等優(yōu)點(diǎn)。

場(chǎng)效應(yīng)管有兩大類，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管IGFET，后者性能更為優(yōu)越，發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。圖Z0121 為場(chǎng)效應(yīng)管的類型及圖形、符號(hào)。

一、結(jié)構(gòu)與分類

圖 Z0122為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)示意圖和它的圖形、符號(hào)。它是在同一塊N型硅片的兩側(cè)分別制作摻雜濃度較高的P型區(qū)（用P+表示），形成兩個(gè)對(duì)稱的PN結(jié)，將兩個(gè)P區(qū)的引出線連在一起作為一個(gè)電極，稱為柵極（g），在N型硅片兩端各引出一個(gè)電極，分別稱為源極（s）和漏極（d）。在形成PN結(jié)過(guò)程中，由于P+區(qū)是重?fù)诫s區(qū)，所以N一區(qū)側(cè)的空間電荷層寬度遠(yuǎn)大

二、工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理完全相同，只是偏置電壓的極性和載流子的類型不同而已。下面以N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管為例來(lái)分析其工作原理。電路如圖Z0123所示。由于柵源間加反向電壓，所以兩側(cè)PN結(jié)均處于反向偏置，柵源電流幾乎為零。漏源之間加正向電壓使N型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子-電子由源極出發(fā)，經(jīng)過(guò)溝道到達(dá)漏極形成漏極電流ID。

1．柵源電壓UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響（設(shè)UDS＝0）

在圖Z0123所示電路中，UGS ＜0，兩個(gè)PN結(jié)處于反向偏置，耗盡層有一定寬度，ID=0。若|UGS| 增大，耗盡層變寬，溝道被壓縮，截面積減小，溝道電阻增大；若|UGS| 減小，耗盡層變窄，溝道變寬，電阻減小。這表明UGS控制著漏源之間的導(dǎo)電溝道。當(dāng)UGS負(fù)值增加到某一數(shù)值VP時(shí)，兩變寬，電阻減小。這邊名UGS控制著漏源之間的導(dǎo)電溝道。當(dāng)UGS負(fù)值增加到某一數(shù)值VP時(shí)，兩邊耗盡層合攏，整個(gè)溝道被耗盡層完全夾斷。（VP稱為夾斷電壓）此時(shí)，漏源之間的電阻趨于無(wú)窮大。管子處于截止?fàn)顟B(tài)，ID＝0。

2．漏源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的影響（設(shè)UGS＝0）

當(dāng)UGS＝0時(shí)，顯然ID＝0；當(dāng)UDS＞0且尚小對(duì)，P+N結(jié)因加反向電壓，使耗盡層具有一定寬度，但寬度上下不均勻，這是由于漏源之間的導(dǎo)電溝道具有一定電阻，因而漏源電壓UDS沿溝道遞降，造成漏端電位高于源端電位，使近漏端PN結(jié)上的反向偏壓大于近源端，因而近漏端耗盡層寬度大于近源端。顯然，在UDS較小時(shí)，溝道呈現(xiàn)一定電阻，ID隨UDS成線性規(guī)律變化（如圖Z0124曲線OA段）；若UGS再繼續(xù)增大，耗盡層也隨之增寬，導(dǎo)電溝道相應(yīng)變窄，尤其是近漏端更加明顯。由于溝道電阻的增大，ID增長(zhǎng)變慢了（如圖曲線AB段），當(dāng)UDS增大到等于|VP|時(shí)，溝道在近漏端首先發(fā)生耗盡層相碰的現(xiàn)象。這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。這時(shí)管子并不截止，因?yàn)槁┰磧蓸O間的場(chǎng)強(qiáng)已足夠大，完全可以把向漏極漂移的全部電子吸引過(guò)去形成漏極飽和電流IDSS （這種情況如曲線B點(diǎn)）：當(dāng)UDS＞|VP|再增加時(shí)，耗盡層從近漏端開始沿溝道加長(zhǎng)它的接觸部分，形成夾斷區(qū) 。由于耗盡層的電阻比溝道電阻大得多，所以比|VP|大的那部分電壓基本上降在夾斷區(qū)上，使夾斷區(qū)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，它完全可以把溝道中向漏極漂移的電子拉向漏極，形成漏極電流。因?yàn)槲幢粖A斷的溝道上的電壓基本保持不變，于是向漏極方向漂移的電子也基本保持不變，管子呈恒流特性（如曲線BC段）。但是，如果再增加UDS達(dá)到BUDS時(shí)（BUDS稱為擊穿電壓）進(jìn)入夾斷區(qū)的電子將被強(qiáng)電場(chǎng)加速而獲得很大的動(dòng)能，這些電子和夾斷區(qū)內(nèi)的原子碰撞發(fā)生鏈鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大量的新生載流予，使ID急劇增加而出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象（如曲線CD段）。

由此可見，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的漏極電流ID受UGS和UDS的雙重控制。這種電壓的控制作用，是場(chǎng)效應(yīng)管具有放大作用的基礎(chǔ)。

三、特性曲線

1．輸出特性曲線

輸出特性曲線是柵源電壓UGS取不同定值時(shí)，漏極電流ID 隨漏源電壓UDS 變化的一簇關(guān)系曲線，如圖Z0124所示。由圖可知，各條曲線有共同的變化規(guī)律。UGS越負(fù)，曲線越向下移動(dòng)）這是因?yàn)閷?duì)于相同的UDS，UGS越負(fù)，耗盡層越寬，導(dǎo)電溝道越窄，ID越小。

由圖還可看出，輸出特性可分為三個(gè)區(qū)域即可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。"

◆可變電阻區(qū)：預(yù)夾斷以前的區(qū)域。其特點(diǎn)是，當(dāng)0＜UDS＜|VP|時(shí)，ID幾乎與UDS呈線性關(guān)系增長(zhǎng)，UGS愈負(fù)，曲線上升斜率愈小。在此區(qū)域內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管等效為一個(gè)受UGS控制的可變電阻。

◆恒流區(qū)：圖中兩條虛線之間的部分。其特點(diǎn)是，當(dāng)UDS＞|VP|時(shí)，ID幾乎不隨UDS變化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，兩者變量之間近乎成線性關(guān)系，所以該區(qū)域又稱線性放大區(qū)。

◆擊穿區(qū)：右側(cè)虛線以右之區(qū)域。此區(qū)域內(nèi)UDS＞BUDS，管子被擊穿，ID隨UDS的增加而急劇增加。

2．轉(zhuǎn)移特性曲線

當(dāng)UDS一定時(shí)，ID與UGS之間的關(guān)系曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)UDS＞|VP|后，即恒流區(qū)內(nèi)，ID 受UDS影響甚小，所以轉(zhuǎn)移特性通常只畫一條。在工程計(jì)算中，與恒流區(qū)相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性可以近似地用下式表示：

式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS＝0時(shí)的漏極飽和電流。