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
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
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
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
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]
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。
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);
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)。
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。