场效应管及其工作原理14页.docx

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场效应管及其工作原理14页

场效应管及其工作原理

MOS场效应管电源开关电路。

           这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS场效应管的工作原理。

           MOS场效应管也被称为MOSFET，既MetalOxideSemiconductorFieldEffect

           Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。

它一般有耗尽型和增强型两种。

本文使用的为增强型MOS

           场效应管，其内部结构见图5。

它可分为NPN型PNP型。

NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。

由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。

我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。

但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。

           为解释MOS

           场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。

如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。

这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。

同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。

           对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。

当有一个正电压加在N沟道的MOS

           场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。

我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。

图8给出了P沟道的MOS

           场效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。

           下面简述一下用C-MOS场效应管（增强型MOS

           场效应管）组成的应用电路的工作过程（见图9）。

电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用。

当输入端为低电平时，P沟道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接通。

当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。

在该电路中，P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。

通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。

同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。

不同场效应管其关断电压略有不同。

也正因为如此，

使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。

           由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程（见图10）。

工作原理同前所述。

场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管。

一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。

它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

一、场效应管的分类

　　场效应管分结型、绝缘栅型两大类。

结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。

目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。

　　按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。

若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。

结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。

　　场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。

而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。

见下图。

二、场效应三极管的型号命名方法

　　现行有两种命名方法。

第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。

第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。

例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。

　　第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。

例如CS14A、CS45G等。

三、场效应管的参数

场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数：

1、IDSS—饱和漏源电流。

是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS=0时的漏源电流。

2、UP—夹断电压。

是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。

3、UT—开启电压。

是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。

4、gM—跨导。

是表示栅源电压UGS—对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。

gM是衡量场效应管放大能力的重要参数。

5、BUDS—漏源击穿电压。

是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。

这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。

也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。

使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源电流。

是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。

场效应管的工作电流不应超过IDSM

           几种常用的场效应三极管的主要参数

四、场效应管的作用

1、场效应管可应用于放大。

由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。

2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。

常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

3、场效应管可以用作可变电阻。

4、场效应管可以方便地用作恒流源。

5、场效应管可以用作电子开关。

五、场效应管的测试

1、结型场效应管的管脚识别：

　　场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。

将万用表置于R×1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。

当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数KΩ时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。

对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。

2、判定栅极

　　用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。

若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于N沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。

　　制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。

源极与漏极间的电阻约为几千欧。

　　注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。

因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。

3、估测场效应管的放大能力

　　将万用表拨到R×100档，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压。

这时表针指示出的是D-S极间电阻值。

然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。

由于管子的放大作用，UDS和ID都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。

如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。

　　由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。

少数的管子RDS减小，使表针向右摆动，多数管子的RDS增大，表针向左摆动。

无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。

本方法也适用于测MOS管。

为了保护MOS场效应管，必须用手握住螺钉旋具绝缘柄，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。

　　MOS管每次测量完毕，G-S结电容上会充有少量电荷，建立起电压UGS，再接着测时表针可能不动，此时将G-S极间短路一下即可。

      目前常用的结型场效应管和MOS型绝缘栅场效应管的管脚顺序如下图所示。

六、常用场效用管

1、MOS场效应管

　　即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor），属于绝缘栅型。

其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（最高可达1015Ω）。

它也分N沟道管和P沟道管，符号如图1所示。

通常是将衬底（基板）与源极S接在一起。

根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。

所谓增强型是指：

当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。

耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。

　　以N沟道为例，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D。

源极与衬底在内部连通，二者总保持等电位。

图1（a）符号中的前头方向是从外向里，表示从P型材料（衬底）指身N型沟道。

当漏接电源正极，源极接电源负极并使VGS=0时，沟道电流（即漏极电流）ID=0。

随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道，当VGS大于管子的开启电压VTN（一般约为+2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。

国产N沟道MOSFET的典型产品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均为单栅管），4DO1（双栅管）。

它们的管脚排列（底视图）见图2。

　　MOS场效应管比较“娇气”。

这是由于它的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏。

因此了厂时各管脚都绞合在一起，或装在金属箔内，使G极与S极呈等电位，防止积累静电荷。

管子不用时，全部引线也应短接。

在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施。

MOS场效应管的检测方法

（1）．准备工作

　　测量之前，先把人体对地短路后，才能摸触MOSFET的管脚。

最好在手腕上接一条导线与大地连通，使人体与大地保持等电位。

再把管脚分开，然后拆掉导线。

（2）．判定电极

　　将万用表拨于R×100档，首先确定栅极。

若某脚与其它脚的电阻都是无穷大，证明此脚就是栅极G。

交换表笔重测量，S-D之间的电阻值应为几百欧至几千欧，其中阻值较小的那一次，黑表笔接的为D极，红表笔接的是S极。

日本生产的3SK系列产品，S极与管壳接通，据此很容易确定S极。

（3）．检查放大能力（跨导）

　　将G极悬空，黑表笔接D极，红表笔接S极，然后用手指触摸G极，表针应有较大的偏转。

双栅MOS场效应管有两个栅极G1、G2。

为区分之，可用手分别触摸G1、G2极，其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极。

　　目前有的MOSFET管在G-S极间增加了保护二极管，平时就不需要把各管脚短路了。

　　MOS场效应晶体管使用注意事项。

　　MOS场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。

MOS场效应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路）极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：

（1）.     MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。

也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装

（2）.取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。

（3）.焊接用的电烙铁必须良好接地。

（4）.在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再MOS器件焊接完成后在分开。

（5）.MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。

拆机时顺序相反。

（6）.电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再把电路板接上去。

（7）.MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下，最好接入保护二极管。

在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。

2、VMOS场效应管

　　VMOS场效应管（VMOSFET）简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管。

它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。

它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（左右0.1μA左右），还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A～100A）、输出功率高（1～250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。

正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身，因此在电压放大器（电压放大倍数可达数千倍）、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。

　　众所周知，传统的MOS场效应管的栅极、源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上，其工作电流基本上是沿水平方向流动。

VMOS管则不同，从左下图上可以看出其两大结构特点:

第一，金属栅极采用V型槽结构；第二，具有垂直导电性。

由于漏极是从芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平流动，而是自重掺杂N+区（源极S）出发，经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区，最后垂直向下到达漏极D。

电流方向如图中箭头所示，因为流通截面积增大，所以能通过大电流。

由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层，因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。

　　国内生产VMOS场效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等，典型产品有VN401、VN672、VMPT2等。

表1列出六种VMOS管的主要参数。

其中，IRFPC50的外型如右上图所示。

　　VMOS场效应管的检测方法

（1）．判定栅极G

　　将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。

若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大，并且交换表笔后仍为无穷大，则证明此脚为G极，因为它和另外两个管脚是绝缘的。

（2）．判定源极S、漏极D

      由图1可见，在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极。

用交换表笔法测两次电阻，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次为正向电阻，此时黑表笔的是S极，红表笔接D极。

（3）．测量漏-源通态电阻RDS（on）

      将G-S极短路，选择万用表的R×1档，黑表笔接S极，红表笔接D极，阻值应为几欧至十几欧。

由于测试条件不同，测出的RDS（on）值比手册中给出的典型值要高一些。

例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。

（4）．检查跨导

　　将万用表置于R×1k（或R×100）档，红表笔接S极，黑表笔接D极，手持螺丝刀去碰触栅极，表针应有明显偏转，偏转愈大，管子的跨导愈高。

注意事项：

（1）VMOS管亦分N沟道管与P沟道管，但绝大多数产品属于N沟道管。

对于P沟道管，测量时应交换表笔的位置。

（2）有少数VMOS管在G-S之间并有保护二极管，本检测方法中的1、2项不再适用。

（3）目前市场上还有一种VMOS管功率模块，专供交流电机调速器、逆变器使用。

例如美国IR公司生产的IRFT001型模块，内部有N沟道、P沟道管各三只，构成三相桥式结构。

（4）现在市售VNF系列（N沟道）产品，是美国Supertex公司生产的超高频功率场效应管，其最高工作频率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信号低频跨导gm=2000μS。

适用于高速开关电路和广播、通信设备中。

（5）使用VMOS管时必须加合适的散热器后。

以VNF306为例，该管子加装140×140×4（mm）的散热器后，最大功率才能达到30W

七、场效应管与晶体管的比较

（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。

在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。

（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。

被称之为双极型器件。

（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。

（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

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