场效应管工作原理与跨导gm分析
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更新于2024-08-24
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"本文主要探讨了场效应管中的一个重要参数——跨导gm,并详细介绍了场效应管的工作原理,包括绝缘栅场效应管和结型场效应管,以及它们在放大电路中的应用。"
场效应管(Field Effect Transistor,简称FET)是一种重要的半导体器件,与双极型晶体管(BJT)不同,它通过电压而非电流进行控制。场效应管分为两大类:绝缘栅场效应管(MOSFET)和结型场效应管。跨导gm是衡量场效应管性能的关键参数,它表示栅源电压变化对漏极电流的影响,即gm = ΔiD/ΔuGS | uDS = const,单位通常为毫西门子(mS)。
1. 跨导gm的理解与计算
跨导gm描述了在输出特性曲线保持不变的情况下,栅源电压uGS变化引起漏极电流iD的变化率。在转移特性曲线上,gm对应于曲线的斜率,表示当栅源电压改变时,漏极电流的相应变化。通过分析输出特性曲线,也可以求得gm的值。
2. 场效应管的种类与工作原理
- 绝缘栅场效应管(MOSFET):
MOSFET由金属、氧化物和半导体构成,分为增强型和耗尽型,分别对应于N沟道和P沟道。增强型MOSFET在没有栅源电压时处于截止状态,当uGS超过开启电压(UT)时,会在源漏之间形成导电沟道,从而允许漏极电流iD流动。栅源电压uGS的增大可以拓宽沟道,增大iD。
- N沟道增强型MOSFET:
其中,N沟道增强型MOSFET的结构包含N+源极、P型衬底、N+漏极和栅极,以及栅极与衬底之间的二氧化硅绝缘层。当uGS为正且大于UT时,栅极下方的P型区域电子被排斥,形成一个N型导电沟道,漏极电流iD随之产生。
3. 场效应管放大电路
- 静态偏置:为了使场效应管在工作点上稳定工作,需要设置合适的静态工作点,即直流偏置。
- 交流小信号模型:在分析放大电路时,常采用交流小信号模型,忽略静态电流,只考虑信号电压引起的电流变化。
- MOSFET作为放大器使用时,其高输入电阻、低噪声和功耗小等优点使其在各种电路中得到广泛应用。
4. 结型场效应管
结型场效应管(Junction Field-Effect Transistor,JFET)的工作原理基于PN结的电压控制,同样分为N沟道和P沟道。与MOSFET相比,JFET的控制机制是通过栅极与沟道之间的PN结的电压控制电流。
总结来说,跨导gm是评估场效应管性能的重要指标,它揭示了栅源电压对漏极电流的控制能力。了解和掌握场效应管的工作原理和类型,对于设计和分析电子电路至关重要,特别是在放大电路中,场效应管的特性优势使其成为首选的放大元件之一。
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