場(chǎng)效應(yīng)管工作原理課件

1、場(chǎng)效應(yīng)管工作原理MOS場(chǎng)效應(yīng)管電源開關(guān)電路。 這是該裝置的核心，在介紹該部分工作原理之前，先簡(jiǎn)單解釋一下MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。MOS 場(chǎng)效應(yīng)管也被稱為MOS FET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）的縮寫。它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。本文使用的為增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型，PNP型也叫P溝道型。由圖可看出，對(duì)于N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道一般三極管

2、是由輸入的電流控制輸出的電流。但對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場(chǎng)）控制，可以認(rèn)為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(shí)這也是我們稱之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。為解釋MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理，我們先了解一下僅含有一個(gè)PN結(jié)的二極管的工作過程。如圖6所示，我們知道在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負(fù)極）時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng)，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓（P端接負(fù)極，N端接正極）時(shí)，這時(shí)在P型半導(dǎo)

3、體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管（見圖7），在柵極沒有電壓時(shí)，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)（圖7a）。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場(chǎng)效應(yīng)管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來而涌向柵極，但由于氧化膜的阻擋，使得電子聚集在兩個(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中（見圖7b），從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁，該橋的大小由柵壓的大小決定。圖8給出

4、了P溝道的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作過程，其工作原理類似這里不再重復(fù)。下面簡(jiǎn)述一下用C-MOS場(chǎng)效應(yīng)管（增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管）組成的應(yīng)用電路的工作過程（見圖9）。電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作，其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時(shí)由于漏電流的影響，使得柵壓在還沒有到0V，通常在柵極電壓小于1到2V時(shí)，M

5、OS場(chǎng)效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱耍沟迷撾娐凡粫?huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場(chǎng)效應(yīng)管電路部分的工作過程（見圖10）。工作原理同前所述。場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電,因此稱為雙極型晶體管,而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高（108109）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)

6、點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。一、場(chǎng)效應(yīng)管的分類場(chǎng)效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）因有兩個(gè)PN結(jié)而得名，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（JGFET）則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。目前在絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管中，應(yīng)用最為廣泛的是MOS場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS管（即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET）；此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管，以及最近剛問世的MOS場(chǎng)效應(yīng)管、VMOS功率模塊等。  按溝道半導(dǎo)體材料的不同，結(jié)型和絕緣柵型各分溝道和P溝道兩種。若按導(dǎo)電方式來劃分，場(chǎng)效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強(qiáng)型。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管既有

7、耗盡型的，也有增強(qiáng)型的。場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。而MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強(qiáng)型；P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類。見下圖。二、場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)命名方法現(xiàn)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代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表 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(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C 是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS

8、14A、CS45G等。三、場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)很多，包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數(shù)：1、I DSS 飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中，柵極電壓U GS=0時(shí)的漏源電流。2、UP 夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中，使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。3、UT 開啟電壓。是指增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。4、gM 跨導(dǎo)。是表示柵源電壓U GS 對(duì)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UGS變化量的比值。gM 是衡量場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。5、BUDS 漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管

9、正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項(xiàng)極限參數(shù)，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BUDS。6、PDSM 最大耗散功率。也是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。7、IDSM 最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過的最大電流。場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過IDSM幾種常用的場(chǎng)效應(yīng)三極管的主要參數(shù)四、場(chǎng)效應(yīng)管的作用1、場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。2、場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作

10、阻抗變換。3、場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻。4、場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。5、場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。五、場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)試1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的管腳識(shí)別：場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相當(dāng)于晶體管的基極，源極和漏極分別對(duì)應(yīng)于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于R×1k檔，用兩表筆分別測(cè)量每?jī)蓚€(gè)管腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個(gè)管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)K時(shí)，則這兩個(gè)管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個(gè)管腳即為柵極G。對(duì)于有4個(gè)管腳的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。2、判定柵極用萬用表黑表筆碰觸管子的一個(gè)電極，紅表筆分別碰觸另外兩個(gè)電極。若兩次測(cè)出的阻值都很小，說明均是正向電阻，該管

11、屬于N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，黑表筆接的也是柵極。制造工藝決定了場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極是對(duì)稱的，可以互換使用，并不影響電路的正常工作，所以不必加以區(qū)分。源極與漏極間的電阻約為幾千歐。注意不能用此法判定絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。因?yàn)檫@種管子的輸入電阻極高，柵源間的極間電容又很小，測(cè)量時(shí)只要有少量的電荷，就可在極間電容上形成很高的電壓，容易將管子損壞。3、估測(cè)場(chǎng)效應(yīng)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，相當(dāng)于給場(chǎng)效應(yīng)管加上1.5V的電源電壓。這時(shí)表針指示出的是D-S極間電阻值。然后用手指捏柵極G，將人體的感應(yīng)電壓作為輸入信號(hào)加到柵極上。由于管子的放大作用，UDS和ID都

12、將發(fā)生變化，也相當(dāng)于D-S極間電阻發(fā)生變化，可觀察到表針有較大幅度的擺動(dòng)。如果手捏柵極時(shí)表針擺動(dòng)很小，說明管子的放大能力較弱；若表針不動(dòng)，說明管子已經(jīng)損壞。由于人體感應(yīng)的50Hz交流電壓較高，而不同的場(chǎng)效應(yīng)管用電阻檔測(cè)量時(shí)的工作點(diǎn)可能不同，因此用手捏柵極時(shí)表針可能向右擺動(dòng)，也可能向左擺動(dòng)。少數(shù)的管子RDS減小，使表針向右擺動(dòng)，多數(shù)管子的RDS增大，表針向左擺動(dòng)。無論表針的擺動(dòng)方向如何，只要能有明顯地?cái)[動(dòng)，就說明管子具有放大能力。本方法也適用于測(cè)MOS管。為了保護(hù)MOS場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)電荷直接加到柵極上，將管子損壞。MOS管每次測(cè)量完畢，G-

13、S結(jié)電容上會(huì)充有少量電荷，建立起電壓UGS，再接著測(cè)時(shí)表針可能不動(dòng)，此時(shí)將G-S極間短路一下即可。目前常用的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和MOS型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的管腳順序如下圖所示。六、常用場(chǎng)效用管1、MOS場(chǎng)效應(yīng)管 即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管，英文縮寫為MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），屬于絕緣柵型。其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻（最高可達(dá)1015）。它也分N溝道管和P溝道管，符號(hào)如圖1所示。通常是將襯底（基板）與源極S接在一起。根據(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又分增強(qiáng)型、耗

14、盡型。所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)VGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的VGS后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。耗盡型則是指，當(dāng)VGS=0時(shí)即形成溝道，加上正確的VGS時(shí)，能使多數(shù)載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止。以N溝道為例，它是在P型硅襯底上制成兩個(gè)高摻雜濃度的源擴(kuò)散區(qū)N+和漏擴(kuò)散區(qū)N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內(nèi)部連通，二者總保持等電位。圖1（a）符號(hào)中的前頭方向是從外向里，表示從P型材料（襯底）指身N型溝道。當(dāng)漏接電源正極，源極接電源負(fù)極并使VGS=0時(shí)，溝道電流（即漏極電流）ID=0。隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸

15、引，在兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)之間就感應(yīng)出帶負(fù)電的少數(shù)載流子，形成從漏極到源極的N型溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VTN（一般約為+2V）時(shí)，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID。國(guó)產(chǎn)N溝道MOSFET的典型產(chǎn)品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均為單柵管），4DO1（雙柵管）。它們的管腳排列（底視圖）見圖2。MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較“嬌氣”。這是由于它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，極易受外界電磁場(chǎng)或靜電的感應(yīng)而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當(dāng)高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。因此了廠時(shí)各管腳都絞合在一起，或裝在金屬箔內(nèi)，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷。管子不用時(shí)，全部引線也應(yīng)短接。

16、在測(cè)量時(shí)應(yīng)格外小心，并采取相應(yīng)的防靜電感措施。MOS場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)方法（1）準(zhǔn)備工作測(cè)量之前，先把人體對(duì)地短路后，才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導(dǎo)線與大地連通，使人體與大地保持等電位。再把管腳分開，然后拆掉導(dǎo)線。（2）判定電極將萬用表撥于R×100檔，首先確定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大，證明此腳就是柵極G。交換表筆重測(cè)量，S-D之間的電阻值應(yīng)為幾百歐至幾千歐，其中阻值較小的那一次，黑表筆接的為D極，紅表筆接的是S極。日本生產(chǎn)的3SK系列產(chǎn)品，S極與管殼接通，據(jù)此很容易確定S極。（3）檢查放大能力（跨導(dǎo)）將G極懸空，黑表筆接D極，紅表筆接S極，然后用手指觸摸G

17、極，表針應(yīng)有較大的偏轉(zhuǎn)。雙柵MOS場(chǎng)效應(yīng)管有兩個(gè)柵極G1、G2。為區(qū)分之，可用手分別觸摸G1、G2極，其中表針向左側(cè)偏轉(zhuǎn)幅度較大的為G2極。目前有的MOSFET管在G-S極間增加了保護(hù)二極管，平時(shí)就不需要把各管腳短路了。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用注意事項(xiàng)。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在使用時(shí)應(yīng)注意分類，不能隨意互換。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時(shí)應(yīng)注意以下規(guī)則：（1）.      MOS器件出廠時(shí)通常裝在黑色的導(dǎo)電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便拿個(gè)塑料袋裝。也可用細(xì)銅線把各個(gè)引腳連接在一起，或用錫紙包裝（2）.取出的

18、MOS器件不能在塑料板上滑動(dòng)，應(yīng)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(yīng)把電路板的電源線與地線短接，再M(fèi)OS器件焊接完成后在分開。（5）. MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機(jī)時(shí)順序相反。（6）.電路板在裝機(jī)之前，要用接地的線夾子去碰一下機(jī)器的各接線端子，再把電路板接上去。（7）. MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極在允許條件下，最好接入保護(hù)二極管。在檢修電路時(shí)應(yīng)注意查證原有的保護(hù)二極管是否損壞。2、VMOS場(chǎng)效應(yīng)管VMOS場(chǎng)效應(yīng)管（VMOSFET）簡(jiǎn)稱VMOS管或功率場(chǎng)效應(yīng)管，其全稱為V型槽MOS場(chǎng)效應(yīng)管。它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效、

19、功率開關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高（108W）、驅(qū)動(dòng)電流?。ㄗ笥?.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)的線性好、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(diǎn)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、開關(guān)電源和逆變器中正獲得廣泛應(yīng)用。眾所周知，傳統(tǒng)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極、源極和漏極大大致處于同一水平面的芯片上，其工作電流基本上是沿水平方向流動(dòng)。VMOS管則不同，從左下圖上可以看出其兩大結(jié)構(gòu)特點(diǎn):第一，金屬柵極采用V型槽結(jié)構(gòu)；第二，具有垂直導(dǎo)電性。由于漏極是從芯片的背

20、面引出，所以ID不是沿芯片水平流動(dòng)，而是自重?fù)诫sN+區(qū)（源極S）出發(fā)，經(jīng)過P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū)，最后垂直向下到達(dá)漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，因?yàn)榱魍ń孛娣e增大，所以能通過大電流。由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬于絕緣柵型MOS場(chǎng)效應(yīng)管。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的主要廠家有877廠、天津半導(dǎo)體器件四廠、杭州電子管廠等，典型產(chǎn)品有VN401、VN672、VMPT2等。表1列出六種VMOS管的主要參數(shù)。其中，IRFPC50的外型如右上圖所示。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)方法（1）判定柵極G將萬用表撥至R×1k檔分別測(cè)量三個(gè)管腳之間的電阻。若發(fā)現(xiàn)某腳與其字兩腳的電阻均呈無

21、窮大，并且交換表筆后仍為無窮大，則證明此腳為G極，因?yàn)樗土硗鈨蓚€(gè)管腳是絕緣的。（2）判定源極S、漏極D      由圖1可見，在源-漏之間有一個(gè)PN結(jié)，因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻存在差異，可識(shí)別S極與D極。用交換表筆法測(cè)兩次電阻，其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，此時(shí)紅表筆的是S極，黑表筆接D極。（數(shù)字萬用表）（3）測(cè)量漏-源通態(tài)電阻RDS（on）      將G-S極短路，選擇萬用表的R×1檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，阻值應(yīng)為幾歐至十

22、幾歐。（數(shù)字萬用表）由于測(cè)試條件不同，測(cè)出的RDS（on）值比手冊(cè)中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表R×1檔實(shí)測(cè)一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。（4）檢查跨導(dǎo) 將萬用表置于R×1k（或R×100）檔，黑表筆接S極，紅表筆接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。（數(shù)字萬用表）注意事項(xiàng)：（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(duì)于P溝道管，測(cè)量時(shí)應(yīng)交換表筆的位置。（2）有少數(shù)VMOS管在G-S之間并有保護(hù)二極管，本檢測(cè)方法中的1、2項(xiàng)不再適用。（

23、3）目前市場(chǎng)上還有一種VMOS管功率模塊，專供交流電機(jī)調(diào)速器、逆變器使用。例如美國(guó)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(guó)Supertex公司生產(chǎn)的超高頻功率場(chǎng)效應(yīng)管，其最高工作頻率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信號(hào)低頻跨導(dǎo)gm=2000S。適用于高速開關(guān)電路和廣播、通信設(shè)備中。（5）使用VMOS管時(shí)必須加合適的散熱器后。以VNF306為例，該管子加裝140×140×4（mm）的散熱器后，最大功率才能達(dá)到30W七、場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較（1）場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控

24、制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。（2）場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極型器件。（3）有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比晶體管好。（4）場(chǎng)效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。由于半導(dǎo)體三極管工作在放大狀態(tài)時(shí)，必須保證發(fā)射結(jié)正偏，故輸入端始終存在輸入電流。改變輸入

25、電流就可改變輸出電流，所以三極管是電流控制器件，因而三極管組成的放大器，其輸入電阻不高。場(chǎng)效應(yīng)管是通過改變輸入電壓(即利用電場(chǎng)效應(yīng))來控制輸出電流的，屬于電壓控制器件，它不吸收信號(hào)源電流，不消耗信號(hào)源功率，因此輸入電阻十分高，可高達(dá)上百兆歐。除此之外，場(chǎng)效應(yīng)管還具有溫度穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)、噪聲低、制造工藝簡(jiǎn)單、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，所得到廣泛的應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(IGFET)，目前最常用的MOS管。由于半導(dǎo)體三極管參與導(dǎo)電的兩種極性的載流子，電子和空穴，所以又稱為半導(dǎo)體三極管雙極性三極管。場(chǎng)效應(yīng)管僅依靠一種極性的載流子導(dǎo)電，所以又稱為單極性三極管。FETF

26、ield Effect transistorJFETJunction Field Effect transistorIGFETInsulated Gate Field Effect TransistorMOSMetal-Oxide-Semiconductor§1 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有兩種結(jié)構(gòu)形式。N型溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和P型溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。以N溝道為例。在一塊N型硅半導(dǎo)體材料的的兩邊，利用合金法、擴(kuò)散法或其它工藝做成高濃度的P+型區(qū)，使之形成兩個(gè)PN結(jié)，然后將兩邊的P+型區(qū)連在一起，引出一個(gè)電極，稱為柵極G。在N型半導(dǎo)體兩端各引出一個(gè)電極，分別作為源極S和漏極D。夾在兩

27、個(gè)PN結(jié)中間的N型區(qū)是源極與漏極之間的電流通道，稱為導(dǎo)電溝道。由于N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子是電子，故此溝道稱為N型溝道。同理，P型溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管中，溝道是P型區(qū)，稱為P型溝道，柵極與N型區(qū)相連。電路符號(hào)如圖所示，箭頭方向可理解為兩個(gè)PN結(jié)的正向?qū)щ姺较颉?#160;二、工作原理從結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)可看出，我們?cè)贒、S間加上電壓UDS，則在源極和漏極之間形成電流ID。我們通過改變柵極和源極的反向電壓UGS，則可以改變兩個(gè)PN結(jié)阻檔層(耗盡層)的寬度。由于柵極區(qū)是高摻雜區(qū)，所以阻擋層主要降在溝道區(qū)。故|UGS|的改變，會(huì)引起溝道寬度的變化，其溝道電阻也隨之而變，從而改變了漏極電流ID。如|UGS|上

28、升，則溝道變窄，電阻增加，ID下降。反之亦然。所以改變UGS的大小，可以控制漏極電流。這是場(chǎng)效應(yīng)管工作的基本原理，也是核心部分。下面我們?cè)敿?xì)討論。1UGS對(duì)導(dǎo)電溝道的影響為了便于討論，先假設(shè)UDS=0。(a)UGS=0(b)UGS<0當(dāng)UGS由零向負(fù)值增大時(shí)，PN結(jié)的阻擋層加厚，溝道變窄，電阻增大。(c)UGS=Up若UGS的負(fù)值再進(jìn)一步增大，當(dāng)UGS=Up時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)的阻擋層相遇，溝道消失，我們稱溝道被“夾斷”了，UP稱為夾斷電壓，此時(shí)ID=0。2ID與UDS、UGS之間的關(guān)系假定：柵、源電壓|UGS|<|Up|，如UGS=1V，Up=4V。當(dāng)UDS=2V時(shí)，溝道中將有電流ID

29、通過。此電流將沿著溝道方向產(chǎn)生一個(gè)電壓降，這樣溝道上各點(diǎn)的電位就不同，因而溝道內(nèi)各點(diǎn)的電位就不同，因而溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極的電位差也就不相等。漏極端與柵極之間的反向電壓最高，如：UDG=UDSUGS=2(1)=3V，沿著溝道向下逐漸降低，源極端為最低，如：USG=UGS=1V，兩個(gè)PN結(jié)阻擋層將出現(xiàn)楔形，使得靠近源極端溝道較寬，而靠近漏極端的溝道較窄。如下圖(a)所示。此時(shí)再增大UDS，由于溝道電阻增長(zhǎng)較慢，所以ID隨之增加。預(yù)夾斷當(dāng)進(jìn)一步增加UDS，當(dāng)柵、漏間電壓UGD等于Up時(shí)，即UGD=UGSUDS=Up則在D極附近，兩個(gè)PN結(jié)的阻擋層相遇，如下圖(b)所示。我們稱為預(yù)夾斷。如果繼續(xù)升高UD

30、S，就會(huì)使夾斷區(qū)向源極端方向發(fā)展，溝道電阻增加。由于溝道電阻的增長(zhǎng)速率與UDS的增加速率基本相同，故這一期間ID趨于一恒定值，不隨UDS的增大而增大，此時(shí)，漏極電流的大小僅取決于UGS的大小。UGS越負(fù)，溝道電阻越大，ID便越小。當(dāng)UGS=Up時(shí)，溝道被全部夾斷，ID=0，如下圖(c)所示。注意：預(yù)夾斷后還能有電流。不要認(rèn)為預(yù)夾斷后就沒有電流。由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，我們總是要柵源之間加一個(gè)反向偏置電壓，使得PN結(jié)始終處于反向接法，故ID0，所以，場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻rgs很高。三、特性曲線1、輸出特性曲線以UGS為參變量時(shí)，漏極電流ID與與漏、源電壓UDS之間的關(guān)系，稱為輸出特性，即根據(jù)工作情

31、況，輸出特性可劃分為四個(gè)區(qū)域。可變電阻區(qū)?？勺冸娮鑵^(qū)位于輸出特性曲線的起始部分，此區(qū)的特點(diǎn)是：固定UGS時(shí)，ID隨UDS增大而線性上升，相當(dāng)于線性電阻；改變UGS時(shí)，特性曲線的斜率變化，相當(dāng)于電阻的阻值不同，UGS增大，相應(yīng)的電阻增大。恒流區(qū)。該區(qū)的特點(diǎn)是：ID基本不隨UDS而變化，僅取決于UGS的值，輸出特性曲線趨于水平，故稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)。擊穿區(qū)。位于特性曲線的最右部分，當(dāng)UDS升高到一定程度時(shí)，反向偏置的PN結(jié)被擊穿，ID將突然增大。UGS愈負(fù)時(shí)，達(dá)到雪崩擊穿所需的UDS電壓愈小。當(dāng)UGS=0時(shí)其擊穿電壓用BUDSS截止區(qū)。當(dāng)|UGS|UP|時(shí)，管子的導(dǎo)電溝道處于完全夾斷狀態(tài)，ID=0

32、，場(chǎng)效應(yīng)管截止。2、轉(zhuǎn)移特性曲線當(dāng)漏、源之間電壓UDS保持不變時(shí)，漏極電流ID和柵、源之間電壓UGS的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。即它描述了柵、源之間的電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制作用。由圖可見：UGS=0時(shí)，ID=IDSS漏極電流最大，稱為飽合漏極電流IDSS|UGS|增大，ID減小，當(dāng)UGS=Up時(shí)，ID=0。Up稱為夾斷電壓。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性在UGS=0Up范圍內(nèi)可用下面近似公式表示：根據(jù)輸出特性曲線可以做出轉(zhuǎn)移特性曲線。§2 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管通常由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成，所以又稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱為MOS場(chǎng)效應(yīng)管。由于這種場(chǎng)效應(yīng)管的柵極被絕緣層(

33、SiO2)隔離(所以稱為絕緣柵)。因此其輸入電阻更高，可達(dá)109以上。N溝道 P溝道 增強(qiáng)型 耗盡型 共有四種類型。一、N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管1結(jié)構(gòu)N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖如右圖所示。把一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體作為襯底，然后在其表面上覆蓋一層SiO2的絕緣層，再在SiO2層上刻出兩個(gè)窗口，通過擴(kuò)散工藝形成兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)(用N+表示)，并在N+區(qū)和SiO2的表面各自噴上一層金屬鋁，分別引出源極、漏極和控制柵極。襯底上也引出一根引線，通常情況下將它和源極在內(nèi)部相連。2工作原理結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是通過改變UGS來控制PN結(jié)的阻擋層寬窄，從而改變導(dǎo)電溝道的寬度，達(dá)到控制漏極電流ID

34、的目的。而絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管則是利用UGS來控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流ID的目的。對(duì)N溝道增強(qiáng)型的MOS場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)UGS=0時(shí)，在漏極和源極的兩個(gè)N+區(qū)之間是P型襯底，因此漏、源之間相當(dāng)于兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。所以無論漏、源之間加上何種極性的電壓，總是不導(dǎo)通的，ID=0。當(dāng)UGS>0時(shí)，(為方便假定UDS=0)，則在SiO2的絕緣層中，產(chǎn)生了一個(gè)垂直半導(dǎo)體表面，由柵極指向P型襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)排斥空穴吸引電子，當(dāng)UGS>UT時(shí)，在絕緣柵下的P型區(qū)中形成了一層以電子為主的N型層。由于源極和漏極均為N+型，故此N型層在漏、源

35、極間形成電子導(dǎo)電的溝道，稱為N型溝道。UT稱為開啟電壓，此時(shí)在漏、源極間加UDS，則形成電流ID。顯然，此時(shí)改變UGS則可改變溝道的寬窄，即改變溝道電阻大小，從而控制了漏極電流ID的大小。由于這類場(chǎng)效應(yīng)管在UGS=0時(shí)，ID=0，只有在UGS>UT后才出現(xiàn)溝道，形成電流，故稱為增強(qiáng)型。3特性曲線N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，也用轉(zhuǎn)移特性、輸出特性表示ID、UGS、UDS之間的關(guān)系，如下圖所示。轉(zhuǎn)移特性：UGS <UT，ID=0；UGSUT，才有ID。UGSID；ID=10A時(shí)對(duì)應(yīng)的UGS定義為開啟電壓UT。輸出特性：也可分為4個(gè)區(qū)，可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、擊穿區(qū)和截止區(qū)。二、N溝道耗

36、盡型MOS管1結(jié)構(gòu)耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，是在制造過程中，預(yù)先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時(shí)，這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)也能在P型襯底中“感應(yīng)”出足夠的電子，形成N型導(dǎo)電溝道，如右圖所示。襯底通常在內(nèi)部與源極相連。2工作原理當(dāng)UDS>0時(shí)，將產(chǎn)生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場(chǎng)，使N溝道變窄，從而使ID減小。當(dāng)UGS更負(fù)，達(dá)到某一數(shù)值時(shí)溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓，仍用UP表示。UGS<UP溝道消失，稱為耗盡型。3特性曲線N溝道MOS耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線如下圖所示，也分為轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。其

37、中：IDSS UGS=0時(shí)的漏極電流。UP  夾斷電壓，使ID=0對(duì)應(yīng)的UGS的值。P溝道場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理與N溝道類似。我們不再討論。下面我們看一下各類絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(MOS場(chǎng)效應(yīng)管)在電路中的符號(hào)。§3 場(chǎng)效應(yīng)管的主要參數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管主要參數(shù)包括直流參數(shù)、交流參數(shù)、極限參數(shù)三部分。一、直流參數(shù)1飽合漏極電流IDSSIDSS是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的一個(gè)重要參數(shù)。定義：當(dāng)柵、源極之間的電壓UGS=0，而漏、源極之間的電壓UDS大于夾斷電壓UP時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極電流。2夾斷電壓UPUP也是耗盡型和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù)。定義：當(dāng)UDS一定時(shí)，使ID減小到某一個(gè)微小電流(如1A，50A)

38、時(shí)所需UGS的值。3開啟電壓UTUT是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的重要參數(shù)。定義：當(dāng)UDS一定時(shí)，漏極電流ID達(dá)到某一數(shù)值(如10A)時(shí)所需加的UGS值。4直流輸入電阻RGSRGS是柵、源之間所加電壓與產(chǎn)生的柵極電流之比，由于柵極幾乎不索取電流，因此輸入電阻很高，結(jié)型為106以上，MOS管可達(dá)1010以上。二、交流參數(shù)1低頻跨導(dǎo)gm此參數(shù)是描述柵、源電壓UGS對(duì)漏極電流的控制作用，它的定義是當(dāng)UDS一定時(shí)，ID與UGS的變化量之比，即跨導(dǎo)gm的單位是mA/V。它的值可由轉(zhuǎn)移特性或輸出特性求得。在轉(zhuǎn)移特性上工作點(diǎn)Q外切線的斜率即是gm?；蛴奢敵鎏匦钥矗诠ぷ鼽c(diǎn)處作一條垂直橫坐標(biāo)的直線(表示UDS=常數(shù))，在

39、Q點(diǎn)上下取一個(gè)較小的柵、源電壓變化量UGS，然后從縱坐標(biāo)上找到相應(yīng)的漏極電流的變化量ID/UGS，則gm=ID/UGS。此外。對(duì)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，可由 求得只要將工作點(diǎn)處的UGS值代入就可求得gm2極間電容場(chǎng)效應(yīng)管三個(gè)極間的電容。包括CGS、CGD和CDS。這些極間電容愈小，則管子的高頻性能愈好。一般為幾個(gè)pF。三、極限參數(shù)1漏極最大允許耗散功率PDmPDm=IDUDS2漏源間擊穿電壓BUDS在場(chǎng)效應(yīng)管輸出特性曲線上，當(dāng)漏極電流ID急劇上升產(chǎn)生雪崩擊穿時(shí)的UDS。工作時(shí)，外加在漏極、源極之間的電壓不得超過此值。3柵源間擊穿電壓BUGS結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，柵、源之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，若U

40、GS過高，PN結(jié)將被擊穿。對(duì)于MOS管，柵源極擊穿后不能恢復(fù)，因?yàn)闁艠O與溝道間的SiO2被擊穿屬破壞性擊穿。§4 場(chǎng)效應(yīng)管的特點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)管具有放大作用，可以組成各種放大電路，它與雙極性三極管相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制器件通過UGS來控制ID。而雙極性三極管是電流控制器件，通過IB來控制IC。2、場(chǎng)效應(yīng)管輸入端幾乎沒有電流場(chǎng)效應(yīng)管工作時(shí)，柵、源極之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，輸入端幾乎沒有電流。所以其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高。而雙極性三極管，發(fā)射結(jié)始終處于正向偏置，總是存在輸入電流，故b、e極間的輸入電阻較小。3、場(chǎng)效應(yīng)管利用多子導(dǎo)電由于場(chǎng)效應(yīng)管是利用多

41、數(shù)載流子導(dǎo)電的，因此，與雙極性三極管相比，具有噪聲小、受幅射的影響小、熱穩(wěn)定性好而且存在零溫度系數(shù)工作點(diǎn)等特性。4、場(chǎng)效應(yīng)管的源漏極有時(shí)可以互換使用由于場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，有時(shí)漏極和源極可以互換使用，而各項(xiàng)指標(biāo)基本上不受影響。因此使用時(shí)比較方便、靈活對(duì)于有的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，制造時(shí)源極已和襯底連在一起，則源極和漏極不能互換。5、場(chǎng)效應(yīng)管的制造工藝簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模集成每個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管在硅片上所占的面積只有雙極性三極管的5%，因此集成度更高。6、MOS管輸入電阻高，柵源極容易被靜電擊穿MOS場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻可高達(dá)1015，因此，由外界靜電感應(yīng)所產(chǎn)生的電荷不易泄漏。而柵極上的SiO2絕緣層雙很薄，

42、這將在柵極上產(chǎn)生很高的電場(chǎng)強(qiáng)度，以致引起絕緣層擊穿而損壞管子。7、場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)較小組成放大電路時(shí)，在相同負(fù)載電阻下，電壓放大倍數(shù)比雙極性三極管低。§5 場(chǎng)效應(yīng)管放大電路根據(jù)前面講的場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)和工作原理，和雙極性三極管比較可知，場(chǎng)效應(yīng)管具有放大作用，它的三個(gè)極和雙極性三極管的三個(gè)極存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系即：G(柵極)b(基極)  S(源極)e(發(fā)射極)  D(漏極)c(集電極)所以根據(jù)雙極性三極管放大電路，可組成相應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)管放大電路。但由于兩種放大器件各自的特點(diǎn)，故不能將雙極性三極管放大電路的三極管簡(jiǎn)單地用場(chǎng)效應(yīng)管取代，組成場(chǎng)效應(yīng)管放大電路。雙極性三極管是電流控制器

43、件，組成放大電路時(shí)，應(yīng)給雙極性三極管設(shè)置偏置偏流，而場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，故組成放大電路時(shí)，應(yīng)給場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)置偏壓，保證放大電路具有合適的工作點(diǎn)，避免輸出波形產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。一、靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路由于場(chǎng)效應(yīng)管種類較多，故采用的偏置電路，其電壓極性必須考慮。下面以N溝道為例進(jìn)行討論。N溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管只能工作在UGS<0的區(qū)域，MOS管又分為耗盡型和增強(qiáng)型，增強(qiáng)型工作在UGS>0，而耗盡型工作在UGS<0。1        1      &

44、#160; 自給偏壓偏置電路右圖給出的是一種稱為自給偏壓電路的偏置電路，它適用于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管或耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管。它依靠漏極電流ID在Re上的電壓降提供柵極偏壓。即UGS=IDRS同樣，在RS上要并聯(lián)一個(gè)足夠大的旁路電容。由場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理我們知道ID是隨UGS變化的，而現(xiàn)在UGS又取決于ID的大小，怎么確定靜態(tài)工作點(diǎn)的ID和UGS的值呢？一般可采用兩種方法：圖解法和計(jì)算法。圖解法首先，作直流負(fù)載線，由漏極回路寫出方程UDS=UDDID(RD+RS)由此在輸出特性曲線上做出直流負(fù)載線AB，將此直流負(fù)載線逐點(diǎn)轉(zhuǎn)到uGSiD坐標(biāo)，得到對(duì)應(yīng)直流負(fù)載線的轉(zhuǎn)移特性曲線CD，再由UGS=IDRS在轉(zhuǎn)移特性坐標(biāo)中作另一條直線，兩線的交點(diǎn)即為Q點(diǎn)。計(jì)算法【例】電路如上頁圖，場(chǎng)效應(yīng)管為3DJG，其輸出特性曲線如下圖所示，已知RD=2k，RS=1.2k，UDD=15V，試用圖解法確定該放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。解：寫出輸出回路的電壓電流方程，即直流負(fù)載線方程。UDS=UDDID(RD+RS)設(shè)