場效應管

1、場效應管工做原理 

 　　場效應晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應管。主要有兩種類型：結型場效應管（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場效應管（metal-oxide semiconductor FET，簡稱MOS-FET）。由多數載流子參與導電，也稱爲單極型晶體管。它屬於電壓控制型半導體器件。具備輸入電阻高（10^7～10^15Ω）、噪聲小、功耗低、動態範圍大、易於集成、沒有二次擊穿現象、安全工做區域寬等優勢，現已成爲雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。

　　場效應管（FET）是利用控制輸入迴路的電場效應來控制輸出迴路電流的一種半導體器件，並以此命名。因爲它僅靠半導體中的多數載流子導電，又稱單極型晶體管。FET 英文爲Field Effect Transistor，簡寫成FET。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2、場效應管的分類

　　場效應管分結型、絕緣柵型兩大類。結型場效應管（JFET）因有兩個PN結而得名，絕緣柵型場效應管（JGFET）則因柵極與其它電極徹底絕緣而得名。

　　目前在絕緣柵型場效應管中，應用最爲普遍的是MOS場效應管，簡稱MOS管（即金屬-氧化物-半導體場效應管MOSFET）；此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場效應管，以及最近剛問世的πMOS場效應管、VMOS功率模塊等。
　　按溝道半導體材料的不一樣，結型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種。

　　按導電方式來劃分，場效應管又可分紅耗盡型與加強型。結型場效應管均爲耗盡型，絕緣柵型場效應管既有耗盡型的，也有加強型的。
　　場效應晶體管可分爲結場效應晶體管和MOS場效應晶體管。而MOS場效應晶體管又分爲N溝耗盡型和加強型；P溝耗盡型和加強型四大類。見下圖。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3、場效應三極管的型號命名方法

　　現行有兩種命名方法：

　　第一種命名方法與雙極型三極管相同，第三位字母J表明結型場效應管，O表明絕緣柵場效應管，第二位字母表明 材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結型N溝道場效應三極管，3DO6C 是絕緣柵型N溝道場效應三極管。
　　第二種命名方法是CS××#，CS表明場效應管，××以數字表明型號的序號，#用字母表明同一型號中的不一樣規格。例如CS14A、CS45G等。

4、場效應管的參數

　　場效應管的參數不少，包括直流參數、交流參數和極限參數，但通常使用時關注如下主要參數：
　　一、I _DSS — 飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，柵極電壓U _GS=0時的漏源電流。
　　二、U_P — 夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，使漏源間剛截止時的柵極電壓。
　　三、U_T — 開啓電壓。是指加強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導通時的柵極電壓。
　　四、g_M — 跨導。是表示柵源電壓U _GS — 對漏極電流I _D的控制能力，即漏極電流I _D變化量與柵源電壓U_GS變化量的比值。g_M 是衡量場效應管放大能力的重要參數。
　　五、BU_DS — 漏源擊穿電壓。是指柵源電壓U_GS必定時，場效應管正常工做所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數，加在場效應管上的工做電壓必須小於BU_DS。
　　六、P_DSM — 最大耗散功率。也是一項極限參數，是指場效應管性能不變壞時所容許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應管實際功耗應小於P_DSM並留有必定餘量。
　　七、I_DSM — 最大漏源電流。是一項極限參數，是指場效應管正常工做時，漏源間所容許經過的最大電流。場效應管的工做電流不該超過I_DSM

           幾種經常使用的場效應三極管的主要參數

 

 

 

 

 

 

5、場效應管的做用

　　一、場效應管可應用於放大。因爲場效應管放大器的輸入阻抗很高，所以耦合電容能夠容量較小，沒必要使用電解電容器。
　　二、場效應管很高的輸入阻抗很是適合做阻抗變換。經常使用於多級放大器的輸入級做阻抗變換。
　　三、場效應管能夠用做可變電阻。
　　四、場效應管能夠方便地用做恆流源。
　　五、場效應管能夠用做電子開關。

6、場效應管的測試

　　一、結型場效應管的管腳識別
　　場效應管的柵極至關於晶體管的基極，源極和漏極分別對應於晶體管的發射極和集電極。將萬用表置於R×1k檔，用兩表筆分別測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當某兩個管腳間的正、反向電阻相等，均爲數KΩ時，則這兩個管腳爲漏極D和源極S（可互換），餘下的一個管腳即爲柵極G。對於有4個管腳的結型場效應管，另一極是屏蔽極（使用中接地）。
　　二、斷定柵極
　　用萬用表黑表筆碰觸管子的一個電極，紅表筆分別碰觸另外兩個電極。若兩次測出的阻值都很小，說明均是正向電阻，該管屬於N溝道場效應管，黑表筆接的也是柵極。
　　製造工藝決定了場效應管的源極和漏極是對稱的，能夠互換使用，並不影響電路的正常工做，因此沒必要加以區分。源極與漏極間的電阻約爲幾千歐。
　　注意不能用此法斷定絕緣柵型場效應管的柵極。由於這種管子的輸入電阻極高，柵源間的極間電容又很小，測量時只要有少許的電荷，就可在極間電容上造成很高的電壓，容易將管子損壞。
　　三、估測場效應管的放大能力
　　將萬用表撥到R×100檔，紅表筆接源極S，黑表筆接漏極D，至關於給場效應管加上1.5V的電源電壓。這時錶針指示出的是D-S極間電阻值。而後用手指捏柵極G，將人體的感應電壓做爲輸入信號加到柵極上。因爲管子的放大做用，UDS和ID都將發生變化，也至關於D-S極間電阻發生變化，可觀察到錶針有較大幅度的擺動。若是手捏柵極時錶針擺動很小，說明管子的放大能力較弱；若錶針不動，說明管子已經損壞。
　　因爲人體感應的50Hz交流電壓較高，而不一樣的場效應管用電阻檔測量時的工做點可能不一樣，所以用手捏柵極時錶針可能向右擺動，也可能向左擺動。少數的管子RDS減少，使錶針向右擺動，多數管子的RDS增大，錶針向左擺動。不管錶針的擺動方向如何，只要能有明顯地擺動，就說明管子具備放大能力。
本方法也適用於測MOS管。爲了保護MOS場效應管，必須用手握住螺釘旋具絕緣柄，用金屬桿去碰柵極，以防止人體感應電荷直接加到柵極上，將管子損壞。
　　MOS管每次測量完畢，G-S結電容上會充有少許電荷，創建起電壓UGS，再接着測時錶針可能不動，此時將G-S極間短路一下便可。

      目前經常使用的結型場效應管和MOS型絕緣柵場效應管的管腳順序以下圖所示：

 

 

 

 

 

 

7、經常使用場效用管

　　一、MOS場效應管 
　　即金屬-氧化物-半導體型場效應管，英文縮寫爲MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），屬於絕緣柵型。其主要特色是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，所以具備很高的輸入電阻（最高可達1015Ω）。它也分N溝道管和P溝道管，符號如圖1所示。一般是將襯底（基板）與源極S接在一塊兒。根據導電方式的不一樣，MOSFET又分加強型、耗盡型。所謂加強型是指：當VGS=0時管子是呈截止狀態，加上正確的VGS後，多數載流子被吸引到柵極，從而「加強」了該區域的載流子，造成導電溝道。耗盡型則是指，當VGS=0時即造成溝道，加上正確的VGS時，能使多數載流子流出溝道，於是「耗盡」了載流子，使管子轉向截止。
　　以N溝道爲例，它是在P型硅襯底上製成兩個高摻雜濃度的源擴散區N+和漏擴散區N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內部連通，兩者總保持等電位。圖1（a）符號中的前頭方向是從外向裏，表示從P型材料（襯底）指身N型溝道。當漏接電源正極，源極接電源負極並使VGS=0時，溝道電流（即漏極電流）ID=0。隨着VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在兩個擴散區之間就感應出帶負電的少數載流子，造成從漏極到源極的N型溝道，當VGS大於管子的開啓電壓VTN（通常約爲+2V）時，N溝道管開始導通，造成漏極電流ID。

　　國產N溝道MOSFET的典型產品有3DO一、3DO二、3DO4（以上均爲單柵管），4DO1（雙柵管）。它們的管腳排列（底視圖）見圖2。
　　MOS場效應管比較「嬌氣」。這是因爲它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又很是小，極易受外界電磁場或靜電的感應而帶電，而少許電荷就可在極間電容上造成至關高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。所以了廠時各管腳都絞合在一塊兒，或裝在金屬箔內，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷。管子不用時，所有引線也應短接。在測量時應格外當心，並採起相應的防靜電感措施。

 

 

 

 

 

 

 

　　

　　1.一、MOS場效應管的檢測方法
　　（1）、準備工做
　　　測量以前，先把人體對地短路後，才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導線與大地連通，令人體與大地保持等電位。再把管腳分開，而後拆掉導線。
　　（2）、斷定電極
　　將萬用表撥於R×100檔，首先肯定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大，證實此腳就是柵極G。交換表筆重測量，S-D之間的電阻值應爲幾百歐至幾千歐，其中阻值較小的那一次，黑表筆接的爲D極，紅表筆接　的是S極。日本生產的3SK系列產品，S極與管殼接通，據此很容易肯定S極。
　　（3）、檢查放大能力（跨導）
　　將G極懸空，黑表筆接D極，紅表筆接S極，而後用手指觸摸G極，錶針應有較大的偏轉。雙柵MOS場效應管有兩個柵極G一、G2。爲區分之，可用手分別觸摸G一、G2極，其中表針向左側偏轉幅度較大的爲G2極。
　　目前有的MOSFET管在G-S極間增長了保護二極管，平時就不須要把各管腳短路了。

　　1.二、MOS場效應晶體管使用注意事項。
　　MOS場效應晶體管在使用時應注意分類，不能隨意互換。MOS場效應晶體管因爲輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時應注意如下規則：
　　（1）、MOS器件出廠時一般裝在黑色的導電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便拿個塑料袋裝。也可用細銅線把各個引腳鏈接在一塊兒，或用錫紙包裝
　　（2）、取出的MOS器件不能在塑料板上滑動，應用金屬盤來盛放待用器件。
　　（3）、焊接用的電烙鐵必須良好接地。
　　（4）、在焊接前應把電路板的電源線與地線短接，再MOS器件焊接完成後在分開。
　　（5）、 MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機時順序相反。
　　（6）、電路板在裝機以前，要用接地的線夾子去碰一下機器的各接線端子，再把電路板接上去。
　　（7）、MOS場效應晶體管的柵極在容許條件下，最好接入保護二極管。在檢修電路時應注意查證原有的保護二極管是否損壞。

　　二、VMOS場效應管
　　VMOS場效應管（VMOSFET）簡稱VMOS管或功率場效應管，其全稱爲V型槽MOS場效應管。它是繼MOSFET以後新發展起來的高效、功率開關器件。它不只繼承了MOS場效應管輸入阻抗高（≥108W）、驅動電流小（左右0.1μA左右），還具備耐壓高（最高可耐壓1200V）、工做電流大（1.5A～100A）、輸出功率高（1～250W）、跨導的線性好、開關速度快等優良特性。正是因爲它將電子管與功率晶體管之優勢集於一身，所以在電壓放大器（電壓放大倍數可達數千倍）、功率放大器、開關電源和逆變器中正得到普遍應用。
　　衆所周知，傳統的MOS場效應管的柵極、源極和漏極大大體處於同一水平面的芯片上，其工做電流基本上是沿水平方向流動。VMOS管則不一樣，從左下圖上能夠看出其兩大結構特色:第一，金屬柵極採用V型槽結構；第二，具備垂直導電性。因爲漏極是從芯片的背面引出，因此ID不是沿芯片水平流動，而是自重摻雜N+區（源極S）出發，通過P溝道流入輕摻雜N-漂移區，最後垂直向下到達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，由於流通截面積增大，因此能經過大電流。因爲在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，所以它仍屬於絕緣柵型MOS場效應管。

　　 國內生產VMOS場效應管的主要廠家有877廠、天津半導體器件四廠、杭州電子管廠等，典型產品有VN40一、VN67二、VMPT2等。表1列出六種VMOS管的主要參數。其中，IRFPC50的外型如右上圖所示。

 

 

 

 

 

 

 

　　2.一、VMOS場效應管的檢測方法
　　（1）、斷定柵極G
　　將萬用表撥至R×1k檔分別測量三個管腳之間的電阻。若發現某腳與其字兩腳的電阻均呈無窮大，而且交換表筆後仍爲無窮大，則證實此腳爲G極，由於它和另外兩個管腳是絕緣的。
　　（2）、斷定源極S、漏極D
      由圖1可見，在源-漏之間有一個PN結，所以根據PN結正、反向電阻存在差別，可識別S極與D極。用交換表筆法測兩次電阻，其中電阻值較低（通常爲幾千歐至十幾千歐）的一次爲正向電阻，此時黑表筆的是S極，紅表筆接D極。
　　（3）、測量漏-源通態電阻RDS（on）
      將G-S極短路，選擇萬用表的R×1檔，黑表筆接S極，紅表筆接D極，阻值應爲幾歐至十幾歐。
因爲測試條件不一樣，測出的RDS（on）值比手冊中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表R×1檔實測一隻IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大於0.58W（典型值）。
　　（4）．檢查跨導
　　 將萬用表置於R×1k（或R×100）檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，手持螺絲刀去碰觸柵極，錶針應有明顯偏轉，偏轉愈大，管子的跨導愈高。

　　2.二、注意事項
　　（1）、VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數產品屬於N溝道管。對於P溝道管，測量時應交換表筆的位置。
　　（2）、有少數VMOS管在G-S之間並有保護二極管，本檢測方法中的一、2項再也不適用。
　　（3）、目前市場上還有一種VMOS管功率模塊，專供交流電機調速器、逆變器使用。例如美國IR公司生產的IRFT001型模塊，內部有N溝道、P溝道管各三隻，構成三相橋式結構。
　　（4）、如今市售VNF系列（N溝道）產品，是美國Supertex公司生產的超高頻功率場效應管，其最高工做頻率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信號低頻跨導gm=2000μS。適用於高速開關電路和廣播、通訊設備中。
　　（5）、使用VMOS管時必須加合適的散熱器後。以VNF306爲例，該管子加裝140×140×4（mm）的散熱器後，最大功率才能達到30W

7、場效應管與晶體管的比較

　　（1）、場效應管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只容許從信號源取較少電流的狀況下，應選用場效應管；而在信號電壓較低，又容許從信號源取較多電流的條件下，應選用晶體管。
　　（2）、場效應管是利用多數載流子導電，因此稱之爲單極型器件，而晶體管是即有多數載流子，也利用少數載流子導電。被稱之爲雙極型器件。
　　（3）、有些場效應管的源極和漏極能夠互換使用，柵壓也可正可負，靈活性比晶體管好。
　　（4）、場效應管能在很小電流和很低電壓的條件下工做，並且它的製造工藝能夠很方便地把不少場效應管集成在一塊硅片上，所以場效應管在大規模集成電路中獲得了普遍的應用。

 8、金屬 - 氧化物半導體場效應管（metal-oxide semiconductor FET，簡稱MOS-FET）的工做原理詳解

 

　　MOS 場效應管也被稱爲MOS-FET， 既metal-oxide semiconductor FET（金屬 - 氧化物半導體場效應管）的縮寫。它通常有耗盡型和加強型兩種，而後再分爲N溝道和P溝道。這裏使用的爲加強型MOS 場效應管，它可分爲NPN型PNP型。NPN型一般稱爲N溝道型，PNP型也叫P溝道型。由下圖可看出，對於N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上，一樣對於P溝道的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。咱們知道通常三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對於場效應管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，能夠認爲輸入電流極小或沒有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時這也是咱們稱之爲場效應管的緣由。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　爲解釋MOS 場效應管的工做原理，咱們先了解一下僅含有一個P—N結的二極管的工做過程。以下圖所示，咱們知道在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負極）時，二極管導通，其PN結有電流經過。這是由於在P型半導體端爲正電壓時，N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導體端，而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動，從而造成導通電流。同理，當二極管加上反向電壓（P端接負極，N端接正極）時，這時在P型半導體端爲負電壓，正電子被彙集在P型半導體端，負電子則彙集在N型半導體端，電子不移動，其PN結沒有電流經過，二極管截止。

 

 

 

 

 

 

 

　　對於場效應管，在柵極沒有電壓時，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會有電流流過，此時場效應管處與截止狀態。當有一個正電壓加在N溝道的MOS 場效應管柵極上時，因爲電場的做用，此時N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向柵極，但因爲氧化膜的阻擋，使得電子彙集在兩個N溝道之間的P型半導體中，從而造成電流，使源極和漏極之間導通。咱們也能夠想像爲兩個N型半導體之間爲一條溝，柵極電壓的創建至關於爲它們之間搭了一座橋樑，該橋的大小由柵壓的大小決定。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　　下圖給出了P溝道的MOS場效應管的工做過程，其工做原理與N溝道MOS場效應管同樣，這裏再也不重複。

 

 

 

 

 

 

 

　　下面簡述一下加強型MOS 場效應管組成的應用電路的工做過程。電路將一個加強型P溝道MOS場效應管和一個加強型N溝道MOS場效應管組合在一塊兒使用。

　　當輸入端爲低電平時，P溝道MOS場效應管導通，輸出端與電源正極接通。當輸入端爲高電平時，N溝道MOS場效應管導通，輸出端與電源地接通。

　　在該電路中，P溝道MOS場效應管和N溝道MOS場效應管老是在相反的狀態下工做，其相位輸入端和輸出端相反。經過這種工做方式咱們能夠得到較大的電流輸出。同時因爲漏電流的影響，使得柵壓在尚未到0V，一般在柵極電壓小於1到2V時，MOS場效應管既被關斷。不一樣場效應管其關斷電壓略有不一樣。也正由於如此，使得該電路不會由於兩管同時導通而形成電源短路。

 

 

 

 

 

 

 

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