場效應(yīng)管與其工作原理

場效應(yīng)管及其工作原理MOS場效應(yīng)管電源開關(guān)電路。這是該裝置的核心，在介紹該部份工作原理之前，先簡單解釋一下MOS場效應(yīng)管的工作原理。MOS場效應(yīng)管也被稱為MOS場效應(yīng)管也被稱為MOSFET，既MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）的縮寫。它一般有耗盡型和增強型兩種。本文利用的為增強型MOS場效應(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，對于N溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，一樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。咱們明白一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，能夠以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這也是咱們稱之為場效應(yīng)管的原因。

為解釋MOS場效應(yīng)管的工作原理，咱們先了解一下僅含有一個P—N結(jié)的二極管的工作進程。如圖6所示，咱們明白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(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過。這是因為在P型半導(dǎo)體端為正電壓時，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負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)體端運動，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓（P端接負極，N端接正極）時，這時在P型半導(dǎo)體端為負電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動，其PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。對于場效應(yīng)管（見圖7），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，現(xiàn)在場效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)（圖7a）。當(dāng)有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應(yīng)管柵極上時，由于電場的作用，現(xiàn)在N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負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。咱們也能夠想像為兩個N型半導(dǎo)

體之間為一條溝，柵極電壓的成立相當(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給出了P溝道的MOS場效應(yīng)管的工作進程，其工作原理類似這里再也不重復(fù)。下面簡述一下用C-MOS場效應(yīng)管（增強型MOS場效應(yīng)管）組成的應(yīng)用電路的工作進程（見圖9）。電路將一個增強型P溝道MOS場效應(yīng)管和一個增強型N溝道MOS場效應(yīng)管組合在一路利用。當(dāng)輸入端為低電平時，P溝道MOS場效應(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，N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道MOS場效應(yīng)管老是在相反的狀態(tài)下工作，其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式咱們能夠取得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響，使得柵壓在尚未到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時，MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因為如此,使得該電路不會因為兩管同時導(dǎo)通而造成電源短路。由以上分析咱們能夠畫出原理圖中MOS場效應(yīng)管電路部份的工作進程（見圖10）。工作原理同前所述。場效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistor縮寫（FET））簡稱場效應(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（108?109Q）、噪聲小、功耗低、動態(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)挼乳L處，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的壯大競爭者。一、場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類。結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）因有兩個PN結(jié)而得名，絕緣柵型場效應(yīng)管（JGFET）則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。目前在絕緣柵型場效應(yīng)管中，應(yīng)用最為普遍的是MOS場效應(yīng)管，簡稱MOS管（即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET）；另外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場效應(yīng)管，和最近剛問世的nMOS場效應(yīng)管、VMOS功率模塊等。ds￡N仏）結(jié)構(gòu)⑹符號結(jié)型場效應(yīng)簣的結(jié)構(gòu)和箝;號Nds￡N仏）結(jié)構(gòu)⑹符號結(jié)型場效應(yīng)簣的結(jié)構(gòu)和箝;號N溝道管F溝逍管源極n淘道_七漏極iD詛和加傑找態(tài)源極■>SSSSSSSSi□的截止試態(tài)V^GS^VfTS^OFF)=Vcs>Vp^、、一一__耗盡層『扛溝道 二二一…：廠k耗盡計、IJ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，場效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強型。結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強型的。場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管。而MOS場效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強型；P溝耗盡型和增強型四大類。見下圖。恥結(jié)構(gòu)結(jié)場效應(yīng)鬲D/—MOS晶侔管F溝耗盡型襯底襯底襯底恥結(jié)構(gòu)結(jié)場效應(yīng)鬲D/—MOS晶侔管F溝耗盡型襯底襯底襯底二、場效應(yīng)三極管的型號命名方式現(xiàn)行有兩種命名方式。第一種命名方式與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場效應(yīng)管，O代表絕緣柵場效應(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溝道場效應(yīng)三極管,3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。第二種命名方法是CSXX#,CS代表場效應(yīng)管，XX以數(shù)字代表型號的序號,#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。三、場效應(yīng)管的參數(shù)場效應(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)，但一般使歷時關(guān)注以下主要參數(shù)：1、 I—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中，柵極電壓U=0DSS GS時的漏源電流。2、 U—夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中，使漏源間剛截止時P的柵極電壓。3、U—開啟電壓。是指增強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時的柵極電壓。4、g—跨導(dǎo)。是表示柵源電壓U—對漏極電流I的控制能力，即漏極電流im轉(zhuǎn)變量與柵源電壓U轉(zhuǎn)變量的比值。g是衡量場效應(yīng)管放大能力的重要D GS M5、BU—DS漏源擊穿電壓。是指柵源電壓U一按時，場效應(yīng)管正常工作所能經(jīng)GS受的最大漏源電壓。這是一項極限參數(shù)，加在場效應(yīng)管上的工作電壓必需小于BUDS。六、P—最大耗散功率。也是一項極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使歷時，場效應(yīng)管實際功耗應(yīng)小于P并留有必然余DSM量。7、I —最大漏源電流。是一項極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。場效應(yīng)管的工作電流不該超過IDSM幾種常常利用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)mW丿msmA歲\：珈rnA險MHzSDJ2Dibb-口涉>20-4Sixi1Q0<12>2D?斗汕EOO<5—11沁J-葺SD02Etoo1.2r>12lixi)CSUCLW03-1k-4四、場效應(yīng)管的作用一、場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容能夠容量較小，沒必要利用電解電容器。2、場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。3、場效應(yīng)管可以用作可變電阻。4、 場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。5、 場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。五、場效應(yīng)管的測試一、結(jié)型場效應(yīng)管的管腳識別：場效應(yīng)管的柵極相當(dāng)于晶體管的基極，源極和漏極別離對應(yīng)于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于RXlk檔，用兩表筆別離測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)KQ時，則這兩個管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個管腳即為柵極G。對于有4個管腳的結(jié)型場效應(yīng)管，另外一極是屏蔽極（利用中接地）。2、 判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，該管屬于N溝道場效應(yīng)管，黑表筆接的也是柵極。制造工藝決定了場效應(yīng)管的源極和漏極是對稱的，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效應(yīng)管的柵極。因為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、 估測場效應(yīng)管的放大能力將萬用表撥到RX100檔，紅表筆接源極S,黑表筆接漏極D,相當(dāng)于給場效應(yīng)管加上的電源電壓。這時表針指示出的是D-S極間電阻值。然后用手指捏柵極G,將人體的感應(yīng)電壓作為輸入信號加到柵極上。由于管子的放大作用，UDS和ID都將發(fā)生轉(zhuǎn)變，也相當(dāng)于D-S極間電阻發(fā)生轉(zhuǎn)變，可觀察到表針有較大幅度的擺動。若是手捏柵極時表針擺動很小，說明管子的放大能力較弱；若表針不動，說明管子已經(jīng)損壞。由于人體感應(yīng)的50Hz交流電壓較高，而不同的場效應(yīng)管用電阻檔測量時的工作點可能不同，因此用手捏柵極時表針可能向右擺動，也可能向左擺動。少數(shù)的管子RDS減小，使表針向右擺動，多數(shù)管子的RDS增大，表針向左擺動。無論表針的擺動方向如何，只要能有明顯地擺動，就說明管子具有放大能力。本方法也適用于測MOS管。為了保護MOS場效應(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管每次測量完畢，G-S結(jié)電容上會充有少量電荷，建立起電壓UGS，再接著測時表針可能不動，此時將G-S極間短路一下即可。目前常常利用的結(jié)型場效應(yīng)管和MOS型絕緣柵場效應(yīng)管的管腳順序如下圖所示。六、常常利用處效用管—、MOS場效應(yīng)管即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，英文縮寫為MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor），屬于絕緣柵型。其主要特點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1015Q）。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接在一路。按照導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指：當(dāng)VGS=0時管子是呈截止?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”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時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數(shù)載流子流出溝道，因此“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高摻雜濃度的源擴散區(qū)N+和漏擴散區(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，源極接電源負極并使VGS=0時，溝道電流（即漏

時，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID。極電流）ID=0。隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在兩個擴散區(qū)之間就感應(yīng)出帶負電的少數(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時，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID。國產(chǎn)N溝道MOSFET的典型產(chǎn)品有3D0—、3D0二、3DO4（以上均為單柵管），4D01（雙柵管）。它們的管腳排列（底視圖）見圖2。MOS場效應(yīng)管比較“嬌氣”。這是由于它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又超級小，極易受外界電磁場或靜電的感應(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。因此了廠時各管腳都絞合在一路，或裝在金屬箔內(nèi)，使G極與S極呈等電位，避免積累靜電荷。管子不歷時，全數(shù)引線也應(yīng)短接。在測量時應(yīng)分外小心，并采取相應(yīng)的防靜電感辦法。MOS場效應(yīng)管的檢測方式（1）．預(yù)備工作測量之前，先把人體對地短路后，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RX100檔，第一肯定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大，證明此腳就是柵極G?；Q表筆重測量，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)此很容易肯定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極，表針應(yīng)有較大的偏轉(zhuǎn)。雙柵MOS場效應(yīng)管有兩個柵極Gl、G2。為區(qū)分之，可用手分別觸摸Gl、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極間增加了保護二極管，平時就不需要把各管腳短路了。MOS場效應(yīng)晶體管利用注意事項。MOS場效應(yīng)晶體管在使用時應(yīng)注意分類，不能隨意互換°MOS場效應(yīng)晶體管由于輸入阻抗高（包括M0S集成電路）極易被靜電擊穿，使用時應(yīng)注意以下規(guī)則：（1） . M0S器件出廠時通常裝在黑色的導(dǎo)電泡沫塑料袋中，切勿自行隨意拿個塑料袋裝。也可用細銅線把各個引腳連接在一路，或用錫紙包裝（2） .取出的M0S器件不能在塑料板上滑動，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M0S器件焊接完成后在分開。（5） .M0S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） .電路板在裝機之前，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(yīng)晶體管的柵極在允許條件下，最好接入保護二極管。在檢修電路時應(yīng)注意查證原有的保護二極管是否損壞。二、VMOS場效應(yīng)管VMOS場效應(yīng)管（VM0SFET）簡稱VM0S管或功率場效應(yīng)管，其全稱為V型槽MOS場效應(yīng)管。它是繼MOSFET以后新進展起來的高效、功率開關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場效應(yīng)管輸入阻抗高（2108W）、驅(qū)動電流?。ㄗ笥铱贏左右），還具有耐壓高（最高可耐壓1200V）、工作電流大（?100A）、輸出功率高（1?250W）、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長處集于一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數(shù)可達數(shù)千倍）、功率放大器、開關(guān)電源和逆變器中正取得普遍應(yīng)用。眾所周知，傳統(tǒng)的MOS場效應(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。VMOS管則不同，從左下圖上可以看出其兩大結(jié)構(gòu)特點: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面引出，所以ID不是沿芯片水平流動，而是自重摻雜N+區(qū)（源極S）出發(fā)，經(jīng)過P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū)，最后垂直向下到達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，因為流通截面積增大，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場效應(yīng)管。國內(nèi)生產(chǎn)VMOS場效應(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VN40—、VN67二、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場效應(yīng)管的檢測方式．判定柵極G將萬用表撥至RX1k檔別離測量三個管腳之間的電阻。若發(fā)覺某腳與其字兩腳的電阻均呈無窮大，而且互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。.判定源極S、漏極D由圖1可見，在源-漏之間有一個PN結(jié)，因此按照PN結(jié)正、反向電阻存在不同，可識別S極與D極。用互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)的一次為正向電阻，現(xiàn)在黑表筆的是S極，紅表筆接D極。．測量漏-源通態(tài)電阻RDS(on)將G-S極短路，選擇萬用表的RX1檔，黑表筆接S極，紅表筆接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RX1檔實測一只IRFPC50