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文檔簡介

場效應(yīng)管與雙極型晶體管不同,它是多子導(dǎo)電,輸入阻抗高,溫度穩(wěn)定性好。結(jié)型場效應(yīng)管JFET絕緣柵型場效應(yīng)管MOS場效應(yīng)管有兩種:第8章場效應(yīng)晶體管1場效應(yīng)管與雙極型晶體管不同,它是多子導(dǎo)電,輸入阻抗高,溫度穩(wěn)結(jié)型場效應(yīng)三極管絕緣柵場效應(yīng)三極管的工作原理場效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)雙極型和場效應(yīng)型三極管的比較場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管2結(jié)型場效應(yīng)三極管場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管2

場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件,是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。從參與導(dǎo)電的載流子來劃分,它有電子作為載流子的N溝道器件和空穴作為載流子的P溝道器件。

從場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)來劃分,它有兩大類。

1.結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET

(JunctiontypeFieldEffectTransister)2.絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET

(InsulatedGateFieldEffectTransister)IGFET也稱金屬氧化物半導(dǎo)體三極管MOSFET

(MetalOxideSemiconductorFET)3場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)8.1結(jié)型場效應(yīng)三極管

(1)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)

JFET的結(jié)構(gòu)與MOSFET相似,工作機(jī)理則相同。JFET的結(jié)構(gòu)如圖01所示,它是在N型半導(dǎo)體硅片的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié),形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N型溝道的結(jié)構(gòu)。一個(gè)P區(qū)即為柵極,N型硅的一端是漏極,另一端是源極。

圖01

結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)48.1結(jié)型場效應(yīng)三極管(1)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu)4N基底:N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極結(jié)構(gòu)導(dǎo)電溝道5N基底:N型半導(dǎo)體PP兩邊是P區(qū)G(柵極)S源極D漏極結(jié)構(gòu)NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS6NPPG(柵極)S源極D漏極N溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS6PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS7PNNG(柵極)S源極D漏極P溝道結(jié)型場效應(yīng)管DGSDGS7

(2)結(jié)型場效應(yīng)三極管的工作原理

根據(jù)結(jié)型場效應(yīng)三極管的結(jié)構(gòu),因它沒有絕緣層,只能工作在反偏的條件下,對(duì)于N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵壓區(qū),P溝道的只能工作在正柵壓區(qū),否則將會(huì)出現(xiàn)柵流?,F(xiàn)以N溝道為例說明其工作原理。

8(2)結(jié)型場效應(yīng)三極管的工作原理根據(jù)結(jié)型場S(Source)為源極,相當(dāng)e。低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用,的兩側(cè)各制造一個(gè)PN結(jié),形成兩個(gè)PN結(jié)夾著一個(gè)N雙極型三極管場效應(yīng)三極管當(dāng)VDS增加到使VGS=VGS(th)時(shí),溝道如圖06(b)所(MetalOxideSemiconductorFET)以上過程與絕緣柵場效應(yīng)三極管的十分相似。當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。一個(gè)P區(qū)即為柵極,N型硅的一端是襯底間的電容作用,將靠近柵極進(jìn)一步增加VGS,當(dāng)VGS>VGS(th)2.漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用②夾斷電壓VGS(off)(或VP)場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件,是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。⑥最大漏極功耗PDMJFET的特性曲線如圖02所示。G(Gate)為柵極,相當(dāng)b;絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET工作原理(以P溝道為例)UDS=0V時(shí)PGSDUDSUGSNNNNIDPN結(jié)反偏,UGS越大則耗盡區(qū)越寬,導(dǎo)電溝道越窄。9S(Source)為源極,相當(dāng)e。工作原理(以P溝道為例)UPGSDUDSUGSNNIDUDS=0V時(shí)NNUGS越大耗盡區(qū)越寬,溝道越窄,電阻越大。但當(dāng)UGS較小時(shí),耗盡區(qū)寬度有限,存在導(dǎo)電溝道。DS間相當(dāng)于線性電阻。10PGSDUDSUGSNNIDUDS=0V時(shí)NNUGS越大耗盡PGSDUDSUGSNNUDS=0時(shí)UGS達(dá)到一定值時(shí)(夾斷電壓VP),耗盡區(qū)碰到一起,DS間被夾斷,這時(shí),即使UDS

0V,漏極電流ID=0A。ID11PGSDUDSUGSNNUDS=0時(shí)UGS達(dá)到一定值時(shí)(夾斷PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS>0、UGD<VP時(shí)耗盡區(qū)的形狀NN越靠近漏端,PN結(jié)反壓越大ID12PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS>0、UGD<VP時(shí)PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS較大時(shí)UGD<VP時(shí)耗盡區(qū)的形狀NN溝道中仍是電阻特性,但是是非線性電阻。ID13PGSDUDSUGSUGS<Vp且UDS較大時(shí)UGD<VP時(shí)GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP時(shí)NN漏端的溝道被夾斷,稱為予夾斷。UDS增大則被夾斷區(qū)向下延伸。ID14GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP時(shí)NN漏端的溝GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP時(shí)NN此時(shí),電流ID由未被夾斷區(qū)域中的載流子形成,基本不隨UDS的增加而增加,呈恒流特性。ID15GSDUDSUGSUGS<VpUGD=VP時(shí)NN此時(shí),電流是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。現(xiàn)以N溝道為例說明其工作絕緣柵型場效應(yīng)三極管MOSFET(MetalOxide于N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管只能工作在負(fù)柵圖03N溝道增強(qiáng)型①開啟電壓VGS(th)(或VT)這一點(diǎn)與電子管的控制作用相似。VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用在柵極加上電壓,且VGS>VGS(off),若漏源電壓VDSJFET的特性曲線有兩條,一是轉(zhuǎn)移特性曲線,JFET的結(jié)構(gòu)如圖01所示,它是在N型半導(dǎo)體硅片絕緣柵耗盡型N溝道P溝道絕緣柵場效應(yīng)三極管的工作原理⑥最大漏極功耗PDM在VGS=0V時(shí)ID=0,只有當(dāng)VGS>VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流,這種MOS管稱為場效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。相同,只不過MOSFET的柵壓可正、可負(fù),而結(jié)型材料,D是P型硅,反型層是N溝道;(MetalOxideSemiconductorFET)①柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

①柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

當(dāng)VGS=0時(shí),在漏、源之間加有一定電壓時(shí),在漏、源間將形成多子的漂移運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生漏極電流。當(dāng)VGS<0時(shí),PN結(jié)反偏,形成耗盡層,漏、源間的溝道將變窄,ID將減小,VGS繼續(xù)減小,溝道繼續(xù)變窄,ID繼續(xù)減小直至為0。當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。16是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。①柵源電壓對(duì)溝道的控制作用

②漏源電壓對(duì)溝道的控制作用

當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)時(shí),在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷,當(dāng)VDS繼續(xù)增加,漏極處的夾斷繼續(xù)向源極方向生長延長。以上過程與絕緣柵場效應(yīng)三極管的十分相似。

在柵極加上電壓,且VGS>VGS(off),若漏源電壓VDS從零開始增加,則VGD=VGS-VDS將隨之減小。使靠近漏極處的耗盡層加寬,溝道變窄,從左至右呈楔形分,17②漏源電壓對(duì)溝道的控制作用當(dāng)VDS增加到

(3)結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線

JFET的特性曲線有兩條,一是轉(zhuǎn)移特性曲線,二是輸出特性曲線。它與MOSFET的特性曲線基本相同,只不過MOSFET的柵壓可正、可負(fù),而結(jié)型場效應(yīng)三極管的柵壓只能是P溝道的為正或N溝道的為負(fù)。JFET的特性曲線如圖02所示。18(3)結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線JFET(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線圖02N溝道結(jié)型場效應(yīng)三極管的特性曲線19(a)漏極輸出特性曲線(b)轉(zhuǎn)移特性曲線UGS0IDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓轉(zhuǎn)移特性曲線一定UDS下的ID-UGS曲線20特性曲線UGS0IDIDSSVP飽和漏極電流夾斷電壓轉(zhuǎn)移特性予夾斷曲線IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電阻區(qū)夾斷區(qū)恒流區(qū)輸出特性曲線021予夾斷曲線IDUDS2VUGS=0V1V3V4V5V可變電N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UGS0IDIDSSVP22N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線UGS0IDIDSS輸出特性曲線IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5VN溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線23輸出特性曲線IDUDS0UGS=0V-1V-3V-4V-5結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn):1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上,但在某些場合仍嫌不夠高。3.柵源極間的PN結(jié)加正向電壓時(shí),將出現(xiàn)較大的柵極電流。絕緣柵場效應(yīng)管可以很好地解決這些問題。2.在高溫下,PN結(jié)的反向電流增大,柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。24結(jié)型場效應(yīng)管的缺點(diǎn):1.柵源極間的電阻雖然可達(dá)107以上絕緣柵型場效應(yīng)三極管MOSFET(MetalOxide

SemiconductorFET)。分為

增強(qiáng)型

N溝道、P溝道

耗盡型

N溝道、P溝道

N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見圖03。其中:D(Drain)為漏極,相當(dāng)c;

G(Gate)為柵極,相當(dāng)b;

S(Source)為源極,相當(dāng)e。

圖03N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖8.2絕緣柵場效應(yīng)三極管25絕緣柵型場效應(yīng)三極管MOSFET(MetalOxid結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)PNNGSDP型基底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電溝道金屬鋁GSDN溝道增強(qiáng)型26結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)PNNGSDP型基底兩個(gè)N區(qū)SiO2絕緣層導(dǎo)電N溝道耗盡型PNNGSD予埋了導(dǎo)電溝道GSD27N溝道耗盡型PNNGSD予埋了導(dǎo)電溝道GSD27NPPGSDGSDP溝道增強(qiáng)型28NPPGSDGSDP溝道增強(qiáng)型28壓,就可以形成漏極電流ID。VGD=VGS-VDS降落在隨之加長的夾斷溝道上,ID基本趨于不變。gm的量綱為mA/V,所以隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長,伸向S極。ID=f(VGS)VDS=const是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。圖5VGS對(duì)漏極電流的控制特性——轉(zhuǎn)移特性曲線隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在高溫下,PN結(jié)的反向電流增大,柵源極間的電阻會(huì)顯著下降。場效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較當(dāng)VDS為0或較小時(shí),相當(dāng)VGS>VGS(th),溝道分布如圖06(a),此時(shí)VDS基本均勻降落在溝道中,溝道呈斜線分布。的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見圖03。進(jìn)一步增加VGS,當(dāng)VGS>VGS(th)絕緣柵型場效應(yīng)三極管MOSFET(MetalOxidegm=ID/VGSVDS=const(單位mS)對(duì)漏極電流的控制作用。MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它是ID=f(VDS)VGS=constP溝道耗盡型NPPGSDGSD予埋了導(dǎo)電溝道29壓,就可以形成漏極電流ID。P溝道耗盡型NPPGSDGSD(1)N溝道增強(qiáng)型MOSFET

①結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖04,N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層,然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū),從N型區(qū)引出電極,一個(gè)是漏極D,一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導(dǎo)體稱為襯底,用符號(hào)B表示。30(1)N溝道增強(qiáng)型MOSFET根據(jù)圖04MOS管的工作原理以N溝道增強(qiáng)型為例PNNGSDUDSUGSUGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)ID=0對(duì)應(yīng)截止區(qū)31MOS管的工作原理以N溝道增強(qiáng)型為例PNNGSDUDSUGPNNGSDUDSUGSUGS>0時(shí)UGS足夠大時(shí)(UGS>VT)感應(yīng)出足夠多電子,這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為閾值電壓32PNNGSDUDSUGSUGS>0時(shí)UGS足夠大時(shí)(UGS>UGS較小時(shí),導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來,UGS越大此電阻越小。PNNGSDUDSUGS33UGS較小時(shí),導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來,UGS越大PNNGSDUDSUGS當(dāng)UDS不太大時(shí),導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。當(dāng)UDS較大時(shí),靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。34PNNGSDUDSUGS當(dāng)UDS不太大時(shí),導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)PNNGSDUDSUGS夾斷后,即使UDS繼續(xù)增加,ID仍呈恒流特性。IDUDS增加,UGD=VT時(shí),靠近D端的溝道被夾斷,稱為予夾斷。35PNNGSDUDSUGS夾斷后,即使UDS繼續(xù)增加,ID②工作原理

1.柵源電壓VGS的控制作用當(dāng)VGS=0V時(shí),漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。當(dāng)柵極加有電壓時(shí),若0<VGS<VGS(th)時(shí),通過柵極和襯底間的電容作用,將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥,出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng),但數(shù)量有限,不足以形成溝道,將漏極和源極溝通,所以不可能以形成漏極電流ID。36②工作原理當(dāng)VGS=0V時(shí),漏源之間相當(dāng)兩

VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用

ID=f(VGS)

VDS=const這一曲線描述,稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,見圖5。

進(jìn)一步增加VGS,當(dāng)VGS>VGS(th)時(shí)(VGS(th)稱為開啟電壓),由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng),在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子,可以形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子,因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。

隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS=0V時(shí)ID=0,只有當(dāng)VGS>VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流,這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。37VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用

圖5VGS對(duì)漏極電流的控制特性——轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。gm的量綱為mA/V,所以gm也稱為跨導(dǎo)??鐚?dǎo)的定義式如下

gm=

ID/

VGS

VDS=const(單位mS)

ID=f(VGS)

VDS=const38轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓

2.漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用

當(dāng)VGS>VGS(th),且固定為某一值時(shí),來分析漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對(duì)溝道的影響如圖06所示。根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系

VDS=VDG+VGS

=-VGD+VGS

VGD=VGS-VDS

當(dāng)VDS為0或較小時(shí),相當(dāng)VGS>VGS(th),溝道分布如圖06(a),此時(shí)VDS基本均勻降落在溝道中,溝道呈斜線分布。圖06(a)漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響392.漏源電壓VDS對(duì)漏極電流ID的控制作用

當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(off)。夾斷后,即使UDS繼續(xù)增加,ID仍呈恒流特性。場效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值,對(duì)于結(jié)型場效應(yīng)三極管,反偏時(shí)RGS約大于107Ω,對(duì)于絕緣柵型場效應(yīng)三極管,RGS約是109~1015Ω。圖06(a)漏源電壓VDS對(duì)溝道的影響一曲線稱為漏極輸出特性曲線。ID=f(VDS)VGS=const極處的耗盡層加寬,溝道變窄,從左至右呈楔形分,UGS<VpUGD=VP時(shí)極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子,場效應(yīng)半導(dǎo)體三極管是僅由一種載流子參與導(dǎo)電的半導(dǎo)體器件,是一種用輸入電壓控制輸出電流的的半導(dǎo)體器件。雙極型三極管場效應(yīng)三極管(MetalOxideSemiconductorFET)在柵極加上電壓,且VGS>VGS(off),若漏源電壓VDS輸入電阻幾十到幾千歐姆幾兆歐姆以上ID=f(VDS)VGS=constSemiconductorFET)。場效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。DS間相當(dāng)于線性電阻。當(dāng)VDS為0或較小時(shí),相當(dāng)VGS>VGS(th),溝道分布如圖06(a),此時(shí)VDS基本均勻降落在溝道中,溝道呈斜線分布。

當(dāng)VDS增加到使VGS=VGS(th)時(shí),溝道如圖06(b)所示。這相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況,稱為預(yù)夾斷。

當(dāng)VDS增加到VGS

VGS(th)時(shí),溝道如圖06(c)所示。此時(shí)預(yù)夾斷區(qū)域加長,伸向S極。VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上,ID基本趨于不變。

當(dāng)VGS>VGS(th),且固定為某一值時(shí),

VDS對(duì)ID的影響,即ID=f(VDS)

VGS=const這一關(guān)系曲線如圖7所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。40當(dāng)漏極電流為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的柵源電壓VGS稱為夾斷電壓VGS(o圖7漏極輸出特性曲線ID=f(VDS)

VGS=const41圖7漏極輸出特性曲線ID=f(VDS)VGS=const

8.3場效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)

(1)場效應(yīng)三極管的參數(shù)

①開啟電壓VGS(th)(或VT)

開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù),柵源電壓小于開啟電壓的絕對(duì)值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

②夾斷電壓VGS(off)(或VP)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù),當(dāng)VGS=VGS(off)時(shí),漏極電流為零。③飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應(yīng)三極管,當(dāng)VGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流。42

8.3場效應(yīng)三極管的參數(shù)和型號(hào)

(1)場效應(yīng)三極管的參

④輸入電阻RGS場效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值,對(duì)于結(jié)型場效應(yīng)三極管,反偏時(shí)RGS約大于107Ω,對(duì)于絕緣柵型場效應(yīng)三極管,RGS約是109~1015Ω。

⑤低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對(duì)漏極電流的控制作用,這一點(diǎn)與電子管的控制作用相似。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取,單位是mS(毫西門子)。

⑥最大漏極功耗PDM最大漏極功耗可由PDM=VDSID決定,與雙極型三極管的PCM相當(dāng)。43④輸入電阻RGS⑤低頻跨導(dǎo)gm

(2)場效應(yīng)三極管的型號(hào)

場效應(yīng)三極管的型號(hào),現(xiàn)行有兩種命名方法。其一是與雙極型三極管相同,第三位字母J代表結(jié)型場效應(yīng)管,O代表絕緣

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