汽車電工電子基礎(chǔ)（第3版） 課件 7.2場效應(yīng)管控制電磁閥電路實驗

7.2場效應(yīng)管控制電磁閥電路實驗項目七：汽車執(zhí)行器與控制場效應(yīng)管的簡介和分類場效應(yīng)管的工作原理場效應(yīng)管的使用優(yōu)勢場效應(yīng)管與三極管的各自應(yīng)用特點實施項目123451.場效應(yīng)管的簡介和分類

場效應(yīng)晶體管，簡稱場效應(yīng)管，由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，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、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)挼葍?yōu)點。1.1場效應(yīng)管的簡介1.2場效應(yīng)管的分類

場效應(yīng)管分為結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管）兩大類。2.場效應(yīng)管的工作原理我們以增強型MOS場效應(yīng)管為例，它可分為NPN型和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，同樣對于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。我們知道三極管是由輸入的基極小電流控制輸出的集電極大電流，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，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，同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。（a）截止?fàn)顟B(tài)（b）導(dǎo)通狀態(tài)

要解釋MOS場效應(yīng)管的工作原理，我們先復(fù)習(xí)一下僅含有一個P—N結(jié)的二極管的工作過程。如圖所示，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，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(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(fù)極，N端接正極）時，這時在P型半導(dǎo)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，其PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。單PN結(jié)二極管工作原理

對于場效應(yīng)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(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)。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，此時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N溝道之間的P型半導(dǎo)體中。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。（a）截止?fàn)顟B(tài)（b）導(dǎo)通狀態(tài)下圖給出了P溝道的MOS場效應(yīng)管的工作過程，其工作原理類似N溝道MOS管。（a）截止?fàn)顟B(tài)（b）導(dǎo)通狀態(tài)3.場效應(yīng)管的使用優(yōu)勢

場效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場效應(yīng)管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。

場效應(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。

有些場效應(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。

場效應(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效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。請參考下圖的電路進行場效應(yīng)管開關(guān)電路仿真。圖中10Ω電阻防止門極瞬間電流過大損壞絕緣柵,該電阻過大會降低開關(guān)速度,導(dǎo)致場效應(yīng)管發(fā)熱,一般為10Ω左右。20kΩ下拉電阻可以保證門極電荷可靠泄放,避免門控信號懸空時場效應(yīng)管意外導(dǎo)通?？梢試L試斷開20kΩ電阻，我們發(fā)現(xiàn)場效應(yīng)管將因為柵極內(nèi)部的電荷無法泄放,場效應(yīng)管繼續(xù)導(dǎo)通,電路不會關(guān)斷。場效應(yīng)管仿真參考電路4.場效應(yīng)管與三極管的各自應(yīng)用特點

1.場效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極E、基極B、集電極C，它們的作用相似。

2.場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制iD，其放大系數(shù)gm一般較小，因此場效應(yīng)管的放大能力較差；三極管是電流控制電流器件，由iB（或iE）控制iC。

3.場效應(yīng)管柵極幾乎不取電流；而三極管工作時基極總要吸取一定的電流。因此場效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高。

4.場效應(yīng)管只有多子參與導(dǎo)電；三極管有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電，而少子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，因而場效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強。在環(huán)境條件（溫度等）變化很大的情況下應(yīng)選用場效應(yīng)管。

5.場效應(yīng)管和三極管均可組成各種放大電路和開路電路，但由于前者制造工藝簡單，且具有耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點，因而被廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。

6.三極管導(dǎo)通電阻大，場效應(yīng)管導(dǎo)通電阻小，只有幾百毫歐姆，在現(xiàn)在的用電器件上，一般都用場效應(yīng)管做開關(guān)來用，它的效率是比較高的。

5.項目實施1）三極管元件的認(rèn)知和測量。2）三極管電流放大特性實訓(xùn)。3）三極管控制電磁閥開關(guān)電路。4）達(dá)林頓管驅(qū)動電路實訓(xùn)。（1）任務(wù)布置實訓(xùn)指導(dǎo)書萬用表可調(diào)鋰電池模塊積木連線實訓(xùn)板場效應(yīng)管元件板場效應(yīng)管驅(qū)動板場效應(yīng)管特性板場效應(yīng)管元件板電流電壓表積木板電磁閥特性實訓(xùn)板連接導(dǎo)線（2）任務(wù)準(zhǔn)備

需要準(zhǔn)備以下器材。步驟圖示工作頁1讀識積木板上的元件圖，場效應(yīng)管型號分別為__________、__________；其中_________是N溝道管；_________是P溝道管。場效應(yīng)管的三個電極分別是_________、_________、_________。2用萬用表二極管檔測量場效應(yīng)管各個電極導(dǎo)通情況，填寫下表：

1）場效應(yīng)管的認(rèn)知與測量。（3）任務(wù)步驟步驟圖示工作頁3測量次數(shù)連接特點數(shù)字表顯示IRF640IRF9640第一次紅表筆固定G極DS第二次紅表筆固定D極GS第三次紅表筆固定S極GD測量數(shù)據(jù)從上表測量數(shù)據(jù)我們可以判斷場效應(yīng)管的三個電極嗎？步驟圖示工作頁1讀識電路原理圖，場效應(yīng)管特性實訓(xùn)電路是以場效應(yīng)管為核心，調(diào)節(jié)柵極電壓控制漏源極電流的變化，通過負(fù)載燈泡亮度和測量電表的變化得出實訓(xùn)數(shù)據(jù)，進而分析場效應(yīng)管特性原理。2用連接導(dǎo)線按照積木連接示意圖連接成完整電路，連接電路比較復(fù)雜，請同學(xué)們細(xì)心連接，注意連接前先關(guān)閉電源開關(guān)。

2）場效應(yīng)管特性實訓(xùn)。步驟圖示工作頁3檢查無誤后接通電源，其中Ig測量的是_____，Vgs測量的是______，Id測量的是______，Vds測量的是_______；從左至右旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)電位器，我們可以看到燈泡亮度是變化情況是_______，觀察各電表的變化，均勻取5個Vg電壓，填寫下表：4電位器位置VgsIgIdVds最左端向右旋轉(zhuǎn)1向右旋轉(zhuǎn)2向右旋轉(zhuǎn)3最右端從上表中我們可以得出結(jié)論：場效應(yīng)管是__________控制型元件，控制特點是_______________。步驟圖示工作頁1讀識電路原理圖，理解各個元器件的作用。電源：___________________________場效應(yīng)管：_______________________柵極電阻：_______________________燈泡：___________________________2用連接導(dǎo)線按照積木連接示意圖連接成完整電路，注意連接前先關(guān)閉電源開關(guān)。3檢查無誤后接通電源，當(dāng)開關(guān)斷開時，Vgs_______，Id________，D、S相當(dāng)于開關(guān)_________，燈泡_________。

3）場效應(yīng)管開關(guān)控制電磁閥、燈泡。步驟圖示工作頁1當(dāng)開關(guān)閉合時，Vgs_______，Id_________，相當(dāng)于開關(guān)_________，燈泡_______。其中下拉電阻的作用是__________。從實訓(xùn)中我們可以得出結(jié)