緣柵耗盡型場效應(yīng)管溝道類型和工作區(qū)類型的判別研究

李真 張嘉馳 初廣前

(1.濟(jì)南市舜玉小學(xué) 山東濟(jì)南 250002;2.山東交通學(xué)院 山東濟(jì)南 250357)

場效應(yīng)管是利用電場效應(yīng)來控制電流，導(dǎo)電機(jī)理是靠一種載流子導(dǎo)電，稱為單極型場效應(yīng)管[1]。場效應(yīng)管性能優(yōu)良，場效應(yīng)管外形和晶體管三極管基本類似，但兩者的控制特性完全不一樣[2]。場效應(yīng)管有輸入電阻很高的優(yōu)點，因此在電子電路中廣泛采用。

場效應(yīng)管按照結(jié)構(gòu)可分為兩類：按構(gòu)造可分為兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）和絕緣柵型場效應(yīng)管（Insulated Gate Field Effect Transister，IGFET），其中絕緣柵場效應(yīng)管又分為增強(qiáng)型與耗盡型，每類細(xì)分為N溝道和P溝道，該文主要研究和分析絕緣柵耗盡型溝道類型的判別與工作區(qū)類型。

圖2 耗盡型P溝道結(jié)構(gòu)圖

1 基礎(chǔ)知識

1.1 耗盡型的結(jié)構(gòu)及電路符號

耗盡型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及電路符號具體如圖1～3所示[3-4]。

圖1 耗盡型N溝道結(jié)構(gòu)圖

絕緣柵耗盡型場效應(yīng)管電路符號如圖3所示[5]，可以看出，N溝道和P溝道電路符號類似，區(qū)別在于符號中的箭頭方向指向不同，具體的，N溝道符號箭頭方向向里，而P溝道符號箭頭方向向外。

圖3 耗盡型電路符號圖

1.2 耗盡型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線

絕緣耗盡型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線如圖4 和圖5所示。其中N 溝道如圖4 所示，P 溝道如圖5 所示[6-7]。從上述兩圖中可以看出絕緣柵耗盡型N溝道轉(zhuǎn)移特性曲線是一條上升的曲線，其和x軸負(fù)半軸相交，因此夾斷電壓UGS(off)＜0；而絕緣柵耗盡型P 溝道轉(zhuǎn)移特性曲線是一條下降的曲線，其與x軸正半軸相交，因此夾斷電壓UGS(off)＞0。

圖4 耗盡型N溝道場轉(zhuǎn)移特性曲線

圖5 耗盡型P溝道轉(zhuǎn)移特性曲線

1.3 絕緣柵耗盡型輸出特性曲線

絕緣柵耗盡型場效應(yīng)管輸出曲線如圖6 和圖7 所示[8]。從上述兩圖可以看出，N溝道和P溝道輸出特性曲線分布在不同的象限，其中N 溝道輸出特性曲線位于坐標(biāo)系中的第一象限，而P 溝道輸出特性曲線位于第三象限。

圖6 柵耗盡型N溝道輸出特性曲線

圖7 耗盡型P溝道輸出特性曲線

1.4 場效應(yīng)管的工作區(qū)分布圖（耗盡型N溝道）

絕緣柵耗盡N 型場效應(yīng)管工作區(qū)分布具體如圖8所示。

根據(jù)圖8 可以看出，耗盡型N 溝道輸出特性曲線顯示，這3 個工作區(qū)分別如下：（1）非飽和區(qū)也稱為可變電阻區(qū)：以輸出特性曲線中虛線（予夾斷軌跡）為界，靠近縱軸的區(qū)域為非飽和區(qū)[9]；（2）飽和區(qū)也稱為恒流區(qū)：予夾斷軌跡右邊的區(qū)域；（3）截止區(qū)也稱為夾斷區(qū)：輸出特性曲線中靠近橫軸的部分，稱為截止區(qū)[10-11]。

圖8 耗盡型N溝道工作區(qū)[6]

2 耗盡型溝道類型和工作區(qū)類型判別

2.1 耗盡型場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的必要條件

耗盡型場效應(yīng)管的輸出特性曲線顯示[4]：N溝道輸出特性曲線在第一象限，因此，UDS＞0；P溝道輸出特性曲線在第三象限，因此，UDS＜0。

2.2 耗盡型場效應(yīng)管溝道類型和工作區(qū)類型判別

該文將耗盡型場效應(yīng)管溝道類型和工作區(qū)類型判別方法總結(jié)如下。

步驟1：由圖4和圖5，判斷溝道類型。夾斷電壓小于零且UDS＞0，則為耗盡型N溝道；夾斷電壓大于零且UDS＜0，則為耗盡型P溝道；

步驟2：由圖4 和圖5，判斷工作類型。計算UGS，對于N 溝道，如果UGS小于夾斷電壓，則工作在截止區(qū)，如果UGS大于夾斷電壓，則工作在非截止區(qū)；對于P溝道，如果UGS大于夾斷電壓，則工作在截止區(qū)，如果UGS小于夾斷電壓，則工作在橫流區(qū)或可變電阻區(qū)。

表1 絕緣柵耗盡型場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)的必要條件

步驟3：觀察圖6和圖7，判斷工作在飽和區(qū)或非飽和區(qū)。計算UGS-UGS(off)和UDS。對于N 溝道，如果UDS大于預(yù)夾斷電壓，則工作在恒流區(qū)，否則工作在非飽和區(qū)區(qū)；對于P溝道，如果UDS大于預(yù)夾斷電壓，則工作在非飽和區(qū)，否則工作在飽和區(qū)；

2.3 例題講解

根據(jù)所提的方法，下面以一道題目為例進(jìn)行詳細(xì)講解。已知一絕緣柵場效應(yīng)管的參數(shù)如下：T:UGS(off/on)=-3V，UG=0V，US=0V，UD=10V，試試判斷該絕緣柵場效應(yīng)管的溝道類型以及工作區(qū)類型。

解析步驟：

步驟1：因為UGS(off/on)=-3V，且UD-US=10V-0V=10V ＞0，所以該場效應(yīng)管為耗盡型N溝道；

步驟2：觀察轉(zhuǎn)移特性曲線，因為UGS=UG-US=0V-0V=0V ＞-3V，所以場效應(yīng)管工作在非截止區(qū)；

步驟3：觀察輸出特性曲線，UGS-UGS(off)=0V-(-3V)=3V,UDS大于預(yù)夾斷電壓3 V，所以場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)。

步驟4：得出結(jié)論，該場效應(yīng)管是N溝道，工作在飽和區(qū)。

3 結(jié)語

模擬電子技術(shù)課程中場效應(yīng)管這部分內(nèi)容較為抽象，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生理解這部分知識有一定困難。對此，該文在介紹絕緣柵耗盡型場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線的基礎(chǔ)上，提出了一種判別場效應(yīng)管溝道類型和工作區(qū)類型的方法。教學(xué)實踐表明，該方法行之有效，值得在今后的教學(xué)過程中進(jìn)一步推廣。