項目3場效應(yīng)管及其應(yīng)用

1、項目項目3 場效應(yīng)管及其應(yīng)用場效應(yīng)管及其應(yīng)用【知識目標(biāo)知識目標(biāo)】（1）了解場效應(yīng)管的種類、特點與標(biāo)識方法。）了解場效應(yīng)管的種類、特點與標(biāo)識方法。（2）了解場效應(yīng)管的主要參數(shù)。）了解場效應(yīng)管的主要參數(shù)。（3）了解場效應(yīng)管的主要用途。）了解場效應(yīng)管的主要用途?！炯寄苣繕?biāo)技能目標(biāo)】（1）能用目視法判斷識別常見場效應(yīng)管的種類，能正確叫出各種場效應(yīng)管的名）能用目視法判斷識別常見場效應(yīng)管的種類，能正確叫出各種場效應(yīng)管的名稱。稱。（2）對場效應(yīng)管上標(biāo)識的型號能正確識讀，知曉該場效應(yīng)管的特點和用途。）對場效應(yīng)管上標(biāo)識的型號能正確識讀，知曉該場效應(yīng)管的特點和用途。（3）會用萬用表對各種場效應(yīng)管進行正確測量，并對

2、其質(zhì)量做出評價。）會用萬用表對各種場效應(yīng)管進行正確測量，并對其質(zhì)量做出評價。晶體三極管是一種電流控制型元件，當(dāng)它工作在放大狀態(tài)時，必須給基極提供一定的基極電流，需要從信號源中吸取電流。這對于有一定內(nèi)阻且信號又比較微弱的信號源來說，信號電壓在內(nèi)阻上的損耗太大，其輸出電壓就更小，以至于不能被放大器有效的接收到。從器件本身來看，就是其輸入電阻太小。上世紀(jì)六十年代，科學(xué)家研制出另一種三端半導(dǎo)體器件，叫做場效應(yīng)晶體管，簡稱為場效應(yīng)管。它是一種電壓控制型器件，利用改變外加電場的強弱來控制半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力。場效應(yīng)管的輸入電阻極高（最高可達(dá)1015），幾乎不吸取信號源電流。它還具有熱穩(wěn)定性好、噪聲低、抗輻

3、射能力強、制造工藝簡單、便于集成等優(yōu)點，因此在電子電路中得到了廣泛的應(yīng)用。常見場效應(yīng)管的實物外形和電路符號如圖3.1所示 圖3.1常見場效應(yīng)管的實物外形3.1場效應(yīng)管的類型和結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管的類型和結(jié)構(gòu) 3.1.1.絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管絕緣柵型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)是金屬氧化物半導(dǎo)體，簡稱為MOS管。MOS管又分N溝道和P溝道兩種，每一種又分為增強型和耗盡型兩種類型。1. N溝道增強型絕緣柵型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、符號和工作原理N溝道增強型MOS晶體管的結(jié)構(gòu)如圖3.11(a)所示，它的三個電極分別叫做源極、漏極和柵極。在P型硅薄片（作襯底）上制成兩個摻雜濃度高的N區(qū)（用N+表示），用鋁電極引出作為源

4、極S和漏極D，兩極之間的區(qū)域叫做溝道，漏極電流經(jīng)此溝道流到源極。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅絕緣層，再在二氧化硅表面上引出一個電極叫做柵極G。柵極同源極、漏極均無電接觸，故稱作“絕緣柵極”。通常在襯底上也引出一個電極，將之與源極相連。 圖3.1 絕緣柵型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號3.1.2結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管1. 結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、符號和工作原理結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、符號和工作原理結(jié)型場效應(yīng)管也分成N溝道和P溝道兩種類型。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號如圖3.6(a)和圖3.6(b)所示。它是用一塊N型半導(dǎo)體作襯底，在其兩側(cè)做成兩個雜質(zhì)濃度很高的P型區(qū)，形成兩個PN結(jié)。從兩邊的P型區(qū)引

5、出兩個電極并在一起，成為柵極G；在N型襯底的兩端各引出一個電極，分別叫做漏極D和源極S。兩個PN結(jié)中間的N型區(qū)域，叫做導(dǎo)電溝道，它是漏極和源極之間的電流通道。如果用P型半導(dǎo)體做襯底，則可構(gòu)成P溝道結(jié)型場效應(yīng)管，其符號如圖3.6(c)所示。N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管符號上的區(qū)別，在于柵極的箭頭指向不同，但都是由P區(qū)指向N區(qū)。 圖3.6 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和符號 N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理完全相同，下面我們以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例進行分析。研究場效應(yīng)管主要是分析輸入電壓對輸出電流的控制作用。在圖3.7中給出了當(dāng)漏極和源極之間的電壓UDS=0時，柵源電壓UGS對導(dǎo)電溝道影響的示意圖。

6、圖3.7柵源電壓UGS對導(dǎo)電溝道影響的示意圖2.N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線溝道結(jié)型場效應(yīng)管的特性曲線柵源電壓對漏極電流的控制關(guān)系用轉(zhuǎn)移特性曲線表示出來，如圖3.8所示。轉(zhuǎn)移特性是指在漏極和源極電壓UDS一定時，漏極電流ID和柵源電壓UGS的關(guān)系。UGS=0時的ID，叫做柵源短路時漏極電流，用IDSS表示；使漏極電流ID0時的柵源電壓就是夾斷電壓UGS（OFF）。圖3.8 柵源電壓對漏極電流的轉(zhuǎn)移特性曲線 圖3.9是N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性。它是指在柵源電壓一定時，漏極電流和漏源電壓UDS之間的關(guān)系。它分成可變電阻區(qū)、恒流區(qū)和擊穿區(qū)。圖3.9 N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的輸出特性3.2場效應(yīng)管的檢

7、測方法場效應(yīng)管的檢測方法 3.2.1 VMOS管的測量的測量1. VMOS管（VMOSFET）V絕緣柵型場效應(yīng)管簡稱VMOS管或功率場效應(yīng)管，其全稱為V型槽絕緣柵型場效應(yīng)管。其結(jié)構(gòu)如圖3.10所示。圖3.10 V絕緣柵型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效、功率開關(guān)器件。它不僅繼承了絕緣柵型場效應(yīng)管輸入阻抗高（108）、驅(qū)動電流?。?.1A左右），還具有耐壓高（最高可耐壓1200V）、工作電流大（1.5A100A）、輸出功率高（1250W）、跨導(dǎo)線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性。正是由于它將電子管與功率晶體管之優(yōu)點集于一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千倍）、功率放大器、開

8、關(guān)電源和逆變器中正獲得廣泛應(yīng)用。 2. VMOS管的檢測方法的檢測方法（1）判定柵極G將萬用表撥至R1k檔，分別測量三個管腳之間的電阻。若發(fā)現(xiàn)某腳與其余兩腳的電阻均呈無窮大，并且交換表筆后仍為無窮大，則證明此腳為G極，因為它和另外兩個管腳是絕緣的。（2）判定源極S和漏極D V絕緣柵型場效應(yīng)管的源-漏極之間有一個PN結(jié)，因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻的差異，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（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次，此時黑表筆接的是S極，紅表筆接的是D極。（3）測量漏-源通態(tài)電阻RDS（on） 將 V絕緣柵型場效應(yīng)管的G-S極短路，選擇萬用表的R1檔，黑表筆接S極，紅表

9、筆接D極，阻值應(yīng)為幾歐至十幾歐。由于測試條件不同，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R1檔實測一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2 ，大于其典型值0.58 。（4）檢查 V絕緣柵型場效應(yīng)管的跨導(dǎo) 將萬用表置于R1k（或R100）檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，手持螺絲刀去碰觸柵極，表針應(yīng)有明顯偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)愈大，管子的跨導(dǎo)愈高。3關(guān)于關(guān)于V絕緣柵型場效應(yīng)管的幾個問題絕緣柵型場效應(yīng)管的幾個問題（1）VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數(shù)產(chǎn)品屬于N溝道管。對于P溝道管，測 量時應(yīng)交換表筆的位置。（2）有少數(shù)VMOS管在G-S之間并聯(lián)一只保護

10、二極管，所以上述檢測方法中的1、2項不再 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(diào)速器和逆變器使用。例如美國 IR公司生產(chǎn)的IRFT001型模塊，內(nèi)部有N溝道、P溝道管各三只，構(gòu)成三相橋式結(jié)構(gòu)。（4）現(xiàn)在市售VNF系列（N溝道）產(chǎn)品，是美國Supertex公司生產(chǎn)的超高頻功率場效應(yīng)管， 其最高工作頻率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信號低頻跨導(dǎo)gm=2000S。適用 于高速開關(guān)電路、廣播和通信設(shè)備中。（5）使用VMOS管時，必須加合適的散熱器。以VNF306為例，該管子加裝1401404（mm）的散熱器后，其最大功率才能達(dá)到30W。 3.2.2

11、絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)的測量絕緣柵型場效應(yīng)管除了放大能力稍弱之外，在導(dǎo)通電阻、開關(guān)速度、噪聲及抗干擾能力等參數(shù)方面，都比雙極型三極管均有著明顯的優(yōu)勢。絕緣柵型場效應(yīng)管能在很小的電流和很低德電壓條件下工作，而且它的制造工藝簡單，可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此絕緣柵型場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。1. 使用絕緣柵型場效應(yīng)管時必須注意的安全防護措施由于絕緣柵型場效應(yīng)管的輸入阻抗極高，其柵極只要有微量感應(yīng)電荷產(chǎn)生的電勢，就足以擊穿其絕緣層而造成器件的損壞。所以對于絕緣柵型場效應(yīng)管的存放和使用，需要采取一些防護措施。（1）存放和運輸時的防護絕緣柵型場效應(yīng)管在運輸

12、和貯藏中必須將其引出腳短路，可以用金屬導(dǎo)線將器件的三只管腳捆扎起來，如圖3.11所示。待場效應(yīng)管焊接到電路板上之后再剪去捆扎線。存放時要用金屬盒屏蔽包裝，以防止外來感應(yīng)電勢將柵極擊穿。千萬不能將絕緣柵型場效應(yīng)管放人塑料盒子內(nèi)。圖3.11 絕緣柵型場效應(yīng)管各個電極的短路存放（2）工作設(shè)施要良好接地在工作過程中，要求一切測試儀器、工作臺、電烙鐵、線路本身都必須有良好的接地。從元器件架上取管時，應(yīng)以適當(dāng)?shù)姆绞酱_保人體接地如采用接地環(huán)等。（3）焊接時要注意管腳順序在焊接絕緣柵型場效應(yīng)管時，要按源極漏極柵極的先后順序焊接。焊接時，可用25W得電烙鐵進行焊接，電烙鐵的外殼必須裝有接地線，以防止由于電烙鐵帶

13、電而損壞管子， 最好將電烙鐵的電源斷開后利用余熱進行焊接。焊接時如果能采用先進的氣熱型電烙鐵是最安全的。（4）不允許帶電操作在未關(guān)斷電源時，絕對不可以把場效應(yīng)管插人電路或從電路中拔出。（5）安裝場效應(yīng)管時需要注意的問題在安裝場效應(yīng)管時，注意安裝的位置要盡量避免靠近發(fā)熱元件；為了防止管件振動，有必要將管殼體緊固起來；管腳引線在彎曲時，應(yīng)當(dāng)在大于根部尺寸5毫米處進行，以防止彎斷管腳和引起漏氣等。（6）功率型場效應(yīng)管的散熱問題對于功率型場效應(yīng)管，要有良好的散熱條件。因為功率型場效應(yīng)管在高負(fù)荷條件下運用，會產(chǎn)生大量的熱量，必須按照要求設(shè)計適合的散熱器，確保殼體溫度不超過額定值，使器件長期穩(wěn)定可靠地工作

14、。2. 一般絕緣柵型場效應(yīng)管的測量方法（1）準(zhǔn)備工作測量之前，先把人體對地短路一下，最好在手腕上接一條導(dǎo)線與大地始終保持連通，使人體與大地保持等電位。然后再把絕緣柵型場效應(yīng)管的管腳分開，拆掉短路導(dǎo)線。（2）判定柵極將萬用表撥至R1k檔，分別測量三個管腳之間的電阻。若發(fā)現(xiàn)某腳與其余兩腳的電阻均呈無窮大，并且交換表筆后仍為無窮大，則證明此腳為G極，因為它和另外兩個管腳是絕緣的。（3）判定源極S和漏極D 絕緣柵型場效應(yīng)管的源-漏極之間有一個PN結(jié)，因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻的差異，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（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次，此時黑表筆接的是S極，紅表筆接

15、的是D極。（4）測量漏-源通態(tài)電阻RDS（on） 將絕緣柵型場效應(yīng)管的G-S極短路，選擇萬用表的R1檔，黑表筆接S極，紅表筆接D極，阻值應(yīng)為幾歐至十幾歐。（5）檢查絕緣柵型場效應(yīng)管的跨導(dǎo) 將萬用表置于R1k（或R100）檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，手持螺絲刀去碰觸柵極，表針應(yīng)有明顯偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)愈大，管子的跨導(dǎo)愈高。3.特殊絕緣柵型場效應(yīng)管的測量方法特殊絕緣柵型場效應(yīng)管的測量方法目前市場上銷售的絕緣柵型場效應(yīng)管的種類和封裝很多，其中的大多數(shù)MOS管，尤其是功率型MOS管，內(nèi)部集成有完善的保護環(huán)節(jié)，在g-s極間內(nèi)置一只保護二極管，所以平時的存放和運輸就不需要把各管腳進行短路保護了，使用起來與雙極

16、型三極管一樣方便。不過，保護單元的存在卻又使得MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，測試方法也有所不同。（1）帶有保護環(huán)節(jié)的NMOS管的測試NMOS管內(nèi)部的保護環(huán)節(jié)有多種類型，這就決定了測量過程存在著多樣性，常見帶有保護環(huán)節(jié)的NMOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.12所示。 圖3.12 兩種帶有保護環(huán)節(jié)的NMOS管內(nèi)部結(jié)構(gòu)（2）有電阻的特殊小功率NMOS管的測試圖3.12所示的NMOS管在目前使用較廣，帶有寄生二極管的典型器件如IRF740、IRF830和PMOS型的IRF9630等。日本產(chǎn)的2SKl548、FS3KMl6A為帶有保護二極管的這類NMOS器件的典型代表。此外，還有一類比較特殊的NMOS管，這類NMOS管的柵極G在并聯(lián)了保護二極管的同時還集成有一只電阻，其結(jié)構(gòu)如圖3.15所示。圖3.15 有電阻的特殊小功率NMOS管4.型號不明的MOS管的測量對于型號不明的MOS管，通過檢測其單向?qū)щ娦酝荒芘袛喑銎渲心囊恢还苣_為柵極，而不能直接識別管子的極性和D、S極。對此，合理的測試方法如下：（1）萬用表取R1k擋，在觀察到單向?qū)щ娦灾?，判斷出其中哪一只管腳為柵極，然后交換兩只表筆的位置。（2