1、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 MOS FET， 既 Metal Oxide Semiconductor Field Effect 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
2、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 PN 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
3、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
4、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
5、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（Field Effect Transistor 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
6、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（108109）、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
7、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 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
8、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、I DSS 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、U P 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、U T 开启电压。是指增强型绝缘栅场效
9、管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。4、g M 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。g M 是衡量场效应管放大能力的重要参数。5、BU DS 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、P DSM 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、I DSM 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
10、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 R1k 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
11、的正、反向电阻相等，均为数 K 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
12、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 R100 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
13、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
14、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
15、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 I
16、D。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
17、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，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
18、 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
19、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 0.1A 左右
20、），还具有耐压高（最高可耐压 1200V）、工作电流大（1.5A100A）、输出功率高（1250W）、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
21、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 R1k 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
