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结型场效应管(JFET)的特性

2021年02月20日 10:26来源:站长

JFET为结型场效应管的代表符号,因内部只有一个PN结而得名,结构示意如图(a)所示。在N型(或P型)半导体材料上,由P型(或N型)材料构成PN结,但结构与普通二极管不同。图中阴影部分为环绕本体材料组成的控制电极————栅极(G),本体材料两端引出漏极(D)和源极(s)。因此,当本体材料为N型半导体时,漏极加正电压,源极加负电压。而本体材料为P型半导体时,漏极加负电压,源极加正电压。即使栅极电压为ov.也必然有一定的电流IDoIo与半导体本体材料杂质浓度、固有体积电阻有关。因此,具体型号的JFET漏极和源极有近似恒定的阻值。也就是说,当栅一源极电压VGs=0v,漏一源极电压VDS在击穿电压范围时,漏一源极间电阻RDS电压、电流关系成电阻性的一条直斜线,且一定型号JFET的RDS相等,大多数小功率JFET的RDS约为5kΩ。

当不同导电沟道的JFET按图(b)接八VGs时,RDS的导电特性则随VGs值变化。对N沟道JFET而言,VGS的负值增大将使沟道电阻增大,导致ID减小,以致形成图(c)的关系曲线。形成这种关系的原因是,N型半导体内部的电子被栅极负电位形成电场所排斥,在P区周围产生耗尽屡.N型半导体导电沟道变窄,漏一源极电流减小。由于此种导电特性,VDS、IDS的关系受到VGS的控制。

当VGS=0V时,IDS随VGS/RGS的斜率上升,VGS为某一定值时.VGS负值到一定程度则lGS被夹断,即使增大VDS,lDS也不再增大,因此也称此时VGS值为夹断电压VPo很明显,随V∞的值不同,Vp会有不同的值:VOS越高,则需要的VGIS负值也越大,所以对应不同的VDS值,有不同的夹断电压VPo沟道一旦被夹断,lDS与VDS无关,呈现一条水平线,此时lDS只受控于VGS。

JFET的工作点总是设置于夹断区,此区域VGS对lDS有极大的控制能力。此控制功能与五极、四极束射电子管极为相似,特性曲线也基本相同。JFET的夹断点Vp相当于五极电子管的阳极电流饱和点。JFET的夹断电压Vp,实际上是指VDS为一定值时lDS不再受VDS控制的一点,从结构上理解可以为VGS的负值形成电场限制了导电沟道的宽度,因而VDS再增加也无法允许更大的电流通过。

P沟道JFET的控制功能与上述相同,只是极性相反而已。JFET的漏一源极只是半导体材料的两个引出端,因而可以互换使用,只要保持漏、源极的电压极性,对性能无影响,故符号中D、S极是相同的。

由图(c)的控制特性可见,JFET当Ves=OV时,los的绝对值最大,VGS值向正(P沟道)或负(N沟道)增大,IDS逐渐减小直到截止。上述控制特性使JFET动作受限于最大漏极电流lDSS,IDSS的绝对最大值取决于P或N型沟造材料的导通电阻率,而相对最大值取决于应用状态下VDS/RDS的比值。如果是N型沟道JFET,当其VGS的负值减小到接近0时,ID也必然增大到lDSS值,从而VGS失去了对ID的控制功能,因此时导电的电子已被耗尽,已无受控的余地而失去放大功能。JFET受沟道lDSS的限制功耗较小,故目前JFET只有小功率的产品,即唯一的耗尽型JFET,只能用于小信号电压放大电路。

JFET的IDS控制过程中,栅极的电压只是形成电场控制导电沟道的宽度,而无电流注入,存在于栅极的电流只是PN结的反向漏电流,一般仅为十分之几微安,因而JFET的输入阻抗达10的10次方——10的12次方Ω。JFET的控制关系是栅一源极电压对漏一源极电流的控制,控制能力非电流放大系数也非电压放大系数所能直接表征的。

根据上述控制原因,通常以互导(gm)表示VGS对IDS的控制能力。互导又称为跨导,实际表示的是导电的能力,称为电导。电导的本质是电阻的倒数,即电阻大时称电导减小。互导指相互电导或跨越电极间的控制过程。在场效应管中,漏一源极电压控制的,所以称为互导或跨导(Transconduc-tance),常以gm表示,单位为电阻倒数即gm=1/R=I/V,其中V系指VGS,电流I系指Io,所以gm的单位是安/伏,表示VGs变化1V时IF的电流变化量1安/伏称为1姆欧写成1Ω,国际上称1姆欧为1西门子,写作1S(Siemens):较小的单位是毫姆欧,即1mA/V,表示VGS变动1V漏一源极电流变动的mA值,也称毫西门子,用mS表示。所以互导gm=△Io/△VGSo结型场效应管还有以下特点。

1、驱动功率极小

因为场效应管为电压驱动,输人阻抗极高,只要在栅一源极施加驱动电压,即可控制漏漏极电流,此优点在大功率输出电路中是相当有利的。根据前述计算可知,在输出级需要10A的输出电流时,如果双极型输出管β≈20,则前级驱动器必须有0.5A的驱动电流,为此大功率输出级必须采用多级中功率、大功率管驱动级。而采用场效应管后,只要求驱动级输出足够的电压即可满足。

2、频率特性好

所有不同种类的场效应管均系沟道导电,导电沟道内无多数载流子存储效应,对JFET而言,增益带宽积等于gm/2πCi。其中,Ci为栅极输人电容。一般小功率JFET的Ci40mAN(此值为JFET-般都能达到的),则增益带宽均在100MHz以上。用JFET组成音响电压放大器,频率特性总是绰绰有余的。

3、无二次击穿现象

二次击穿是双极型晶体管所特有的一种破坏性热电击穿。由乎两个结都具有正温度系数特性,当VCf增大到某一值时,lc会迅速增大,温度随之升高。当VCE进一步增大使lc达到某一临界值时,温度急剧升高,管压降下降,IC仍继续增大,表现导通电阻为负值现象,致使晶体管突然损坏。这种现象称之为二次击穿。场效应管的沟道电流具有负温度系数特性,故不易发生此现象,因而安全性优于双极型晶体管。

4、导通特性

场效应管导通时,导通特性呈电阻性,通常以导通电阻Ros表示,使其端电压和电流符合欧姆定律。因此,场效应管可以直接并联运用,不加均流电阻。并联应用时,IDS大的开关管,只CS必然较小,使两者的电流分酡自然与k相对应。

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