场效应管工作原理.doc

1、场效应管工作原理时间:2007-06-15 来源: 作者: 点击：7148 字体大小: 【大 中 小】 1.什么叫场效应管？FET 是 Field-Effect-Transistor 的缩写,即为场效应晶体管。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。FET 应用范围很广, 但不能说现在普及的双极型晶体管都可以用 FET 替代。然而，由于 FET 的特性与双极型晶体管的特性完全不同，能构成技术性能非常好的电路。2. 场效应管的工作原理：(a) JFET 的概念图(b

2、) JFET 的符号图 1(b)门极的箭头指向为 p 指向 n 方向，分别表示内向为 n 沟道 JFET，外向为 p 沟道JFET。 图 1（ a）表示 n 沟道 JFET 的特性例。以此图为基础看看 JFET 的电气特性的特点。首先，门极- 源极间电压以 0V 时考虑（VGS =0）。在此状态下漏极-源极间电压 VDS 从 0V 增加，漏电流 ID 几乎与 VDS 成比例增加，将此区域称为非饱和区。VDS 达到某值以上漏电流 ID 的变化变小，几乎达到一定值。此时的 ID 称为饱和漏电流（有时也称漏电流用 IDSS 表示。与此 IDSS 对应的 VDS 称为夹断电压 VP ，此区域称为饱和区

3、。 其次在漏极-源极间加一定的电压 VDS (例如 0.8V)，VGS 值从 0 开始向负方向增加，ID 的值从 IDSS 开始慢慢地减少，对某 VGS 值 ID =0。将此时的 VGS 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压，用 VGS (off)示。n 沟道 JFET 的情况则 VGS (off) 值带有负的符号,测量实际的 JFET 对应 ID =0 的 VGS 因为很困难,在放大器使用的小信号 JFET 时,将达到 ID =0.1-10A 的 VGS 定义为 VGS (off) 的情况多些。 关于 JFET 为什么表示这样的特性，用图作以下简单的说明。场效应管工作原理用一句话说，就是“漏

4、极-源极间流经沟道的 ID ，用以门极与沟道间的 pn 结形成的反偏的门极电压控制 ID “。更正确地说，ID 流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由 pn 结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。 在 VGS =0 的非饱和区域，图 10.4.1(a)表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加 VDS 的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流 ID 流动。达到饱和区域如图10.4.2(a)所示，从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，I D 饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。 在过渡层由于没有电子、空穴的自由移

5、动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。 如图 10.4.1(b)所示的那样，即便再增加 VDS ，因漂移电场的强度几乎不变产生 ID 的饱和现象。 其次，如图 10.4.2(c)所示，VGS 向负的方向变化，让 VGS =VGS (off) ，此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且 VDS 的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。3.场效应管的分类和结构:场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两

6、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 MOS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

7、N 沟耗尽型和增强型；P 沟耗尽型和增强型四大类。见下图。4、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。5、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

8、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 U GS=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 U GS 对漏极电流 I D 的控制能力，即漏极电流 I D 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

9、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 IDSM6、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

10、作恒流源。 5. 场效应管可以用作电子开关。7、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-Semiconductor Field-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 1015）。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

11、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电，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，

12、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

13、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 R100 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

14、，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

15、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 M

16、OSFET 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 0.1A 左右），还具有耐压高（最高可耐压 1200V）、工作电流大（1.5A100A）、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

17、 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。VMOS 场效应管的检测方法 （1）判定栅极 G 将万用表拨至 R1k 档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字

18、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 R1 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

19、 型万用表 R1 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 R1k（或 R100）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

20、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=2000S。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1401404（mm）的散热器后，最大功率才能达到 30W8、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。