緣柵耗盡型場效應管溝道類型和工作區類型的判別研究

李真 張嘉馳 初廣前

(1.濟南市舜玉小學 山東濟南 250002;2.山東交通學院 山東濟南 250357)

場效應管是利用電場效應來控制電流，導電機理是靠一種載流子導電，稱為單極型場效應管[1]。場效應管性能優良，場效應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]。場效應管有輸入電阻很高的優點，因此在電子電路中廣泛采用。

場效應管按照結構可分為兩類：按構造可分為兩大類：結型場效應管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）和絕緣柵型場效應管（Insulated Gate Field Effect Transister，IGFET），其中絕緣柵場效應管又分為增強型與耗盡型，每類細分為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類型。

圖2 耗盡型P溝道結構圖

1 基礎知識

1.1 耗盡型的結構及電路符號

耗盡型場效應管的結構及電路符號具體如圖1～3所示[3-4]。

圖1 耗盡型N溝道結構圖

絕緣柵耗盡型場效應管電路符號如圖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 耗盡型場效應管的轉移特性曲線

絕緣耗盡型場效應管轉移特性曲線如圖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溝道轉移特性曲線是一條上升的曲線，其和x軸負半軸相交，因此夾斷電壓UGS(off)＜0；而絕緣柵耗盡型P 溝道轉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溝道場轉移特性曲線

圖5 耗盡型P溝道轉移特性曲線

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 場效應管的工作區分布圖（耗盡型N溝道）

絕緣柵耗盡N 型場效應管工作區分布具體如圖8所示。

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

圖8 耗盡型N溝道工作區[6]

2 耗盡型溝道類型和工作區類型判別

2.1 耗盡型場效應管工作在恒流區的必要條件

耗盡型場效應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 耗盡型場效應管溝道類型和工作區類型判別

該文將耗盡型場效應管溝道類型和工作區類型判別方法總結如下。

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，如果UGS大于夾斷電壓，則工作在非截止區；對于P溝道，如果UGS大于夾斷電壓，則工作在截止區，如果UGS小于夾斷電壓，則工作在橫流區或可變電阻區。

表1 絕緣柵耗盡型場效應管工作在恒流區的必要條件

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

2.3 例題講解

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

解析步驟：

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

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

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

步驟4：得出結論，該場效應管是N溝道，工作在飽和區。

3 結語

模擬電子技術課程中場效應管這部分內容較為抽象，在教學過程中發現部分學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管轉移特性曲線和輸出特性曲線的基礎上，提出了一種判別場效應管溝道類型和工作區類型的方法。教學實踐表明，該方法行之有效，值得在今后的教學過程中進一步推廣。