场效应管的工作原理

发布于：2006/9/4 14:00:15 | 4548 次阅读

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　场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。一、场效应管的分类　　场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。　　按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。　　场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。二、场效应三极管的型号命名方法　　现行有两种命名方法。种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。　　第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。三、场效应管的参数场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数：1、I DSS — 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS=0时的漏源电流。2、UP — 夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。3、UT — 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。4、gM — 跨导。是表示栅源电压U GS — 对漏极电流I D的控制能力，即漏极电流I D变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。5、BUDS — 漏源击穿电压。是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。6、PDSM — 耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。7、IDSM — 漏源电流。是一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM 四、场效应管的作用1、场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。2、场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。3、场效应管可以用作可变电阻。4、场效应管可以方便地用作恒流源。5、场效应管可以用作电子开关。五、场效应管的测试1、结型场效应管的管脚识别：　　场效应管的栅极相当于晶体管的基极，源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于R×1k档，用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等，均为数KΩ时，则这两个管脚为漏极D和源极S（可互换），余下的一个管脚即为栅极G。对于有4个管脚的结型场效应管，另外一极是屏蔽极（使用中接地）。2、判定栅极　　用万用表黑表笔碰触管子的一个电极，红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小，说明均是正向电阻，该管属于N沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。　　制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的，可以互换使用，并不影响电路的正常工作，所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。　　注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻极高，栅源间的极间电容又很小，测量时只要有少量的电荷，就可在极间电容上形成很高的电压，容易将管子损坏。3、估测场效应管的放大能力　　将万用表拨到R×100档，红表笔接源极S，黑表笔接漏极D，相当于给场效应管加上1.5V的电源电压。这时表针指示出的是D-S极间电阻值。然后用手指捏栅极G，将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的放大作用，UDS和ID都将发生变化，也相当于D-S极间电阻发生变化，可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动很小，说明管子的放大能力较弱；若表针不动，说明管子已经损坏。　　由于人体感应的50Hz交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同，因此用手捏栅极时表针可能向右摆动，也可能向左摆动。少数的管子RDS减小，使表针向右摆动，多数管子的RDS增大，表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何，只要能有明显地摆动，就说明管子具有放大能力。本方法也适用于测MOS管。为了保护MOS场效应管，必须用手握住螺钉旋具绝缘柄，用金属杆去碰栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极上，将管子损坏。　　MOS管每次测量完毕，G-S结电容上会充有少量电荷，建立起电压UGS，再接着测时表针可能不动，此时将G-S极间短路一下即可。六、常用场效用管1、MOS场效应管　　即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），属于绝缘栅型。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻（可达1015Ω）。它也分N沟道管和P沟道管，符号如图1所示。通常是将衬底（基板）与源极S接在一起。根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。　　以N沟道为例，它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区N+和漏扩散区N+，再分别引出源极S和漏极D。源极与衬底在内部连通，二者总保持等电位。图1（a）符号中的前头方向是从外向电，表示从P型材料（衬底）指身N型沟道。当漏接电源正极，源极接电源负极并使VGS=0时，沟道电流（即漏极电流）ID=0。随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子，形成从漏极到源极的N型沟道，当VGS大于管子的开启电压VTN（一般约为+2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。国产N沟道MOSFET的典型产品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均为单栅管），4DO1（双栅管）。它们的管脚排列（底视图）见图2。　　MOS场效应管比较“娇气”。这是由于它的输入电阻很高，而栅-源极间电容又非常小，极易受外界电磁场或静电的感应而带电，而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压（U=Q/C），将管子损坏。因此了厂时各管脚都绞合在一起，或装在金属箔内，使G极与S极呈等电位，防止积累静电荷。管子不用时，全部引线也应短接。在测量时应格外小心，并采取相应的防静电感措施。　　MOS场效应管的检测方法（1）．准备工作　　测量之前，先把人体对地短路后，才能摸触MOSFET的管脚。在手腕上接一条导线与大地连通，使人体与大地保持等电位。再把管脚分开，然后拆掉导线。（2）．判定电极　　将万用表拨于R×100档，首先确定栅极。若某脚与其它脚的电阻都是无穷大，证明此脚就是栅极G。交换表笔重测量，S-D之间的电阻值应为几百欧至几千欧，其中阻值较小的那，黑表笔接的为D极，红表笔接的是S极。日本生产的3SK系列产品，S极与管壳接通，据此很容易确定S极。（3）．检查放大能力（跨导）　　将G极悬空，黑表笔接D极，红表笔接S极，然后用手指触摸G极，表针应有较大的偏转。双栅MOS场效应管有两个栅极G1、G2。为区分之，可用手分别触摸G1、G2极，其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极。　　目前有的MOSFET管在G-S极间增加了保护二极管，平时就不需要把各管脚短路了。　　MOS场效应晶体管使用注意事项。　　MOS场效应晶体管在使用时应注意分类，不能随意互换。MOS场效应晶体管由于输入阻抗高（包括MOS集成电路）极易被静电击穿，使用时应注意以下规则：（1）. MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中，切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起，或用锡纸包装（2）.取出的MOS器件不能在塑料板上滑动，应用金属盘来盛放待用器件。（3）. 焊接用的电烙铁必须良好接地。（4）. 在焊接前应把电路板的电源线与地线短接，再MOS器件焊接完成后在分开。（5）. MOS器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。（6）.电路板在装机之前，要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子，再把电路板接上去。（7）. MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下，接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。 2、VMOS场效应管　　VMOS场效应管（VMOSFET）简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高（≥108W）、驱动电流小（左右0.1μA左右），还具有耐压高（可耐压1200V）、工作电流大（1.5A～100A）、输出功率高（1～250W）、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身，因此在电压放大器（电压放大倍数可达数千倍）、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。　　众所周知，传统的MOS场效应管的栅极、源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上，其工作电流基本上是沿水平方向流动。VMOS管则不同，从左下图上可以看出其两大结构特点:，金属栅极采用V型槽结构；第二，具有垂直导电性。由于漏极是从芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平流动，而是自重掺杂N+区（源极S）出发，经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区，垂直向下到达漏极D。电流方向如图中箭头所示，因为流通截面积增大，所以能通过大电流。由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层，因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。　国内生产VMOS场效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等，典型产品有VN401、VN672、VMPT2等。　　VMOS场效应管的检测方法（1）．判定栅极G　　将万用表拨至R×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大，并且交换表笔后仍为无穷大，则证明此脚为G极，因为它和另外两个管脚是绝缘的。（2）．判定源极S、漏极D 由图1可见，在源-漏之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻存在差异，可识别S极与D极。用交换表笔法测两次电阻，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的为正向电阻，此时黑表笔的是S极，红表笔接D极。（3）．测量漏-源通态电阻RDS（on）将G-S极短路，选择万用表的R×1档，黑表笔接S极，红表笔接D极，阻值应为几欧至十几欧。由于测试条件不同，测出的RDS（on）值比手册中给出的典型值要高一些。例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。（4）．检查跨导　　将万用表置于R×1k（或R×100）档，红表笔接S极，黑表笔接D极，手持螺丝刀去碰触栅极，表针应有明显偏转，偏转愈大，管子的跨导愈高。注意事项：（1）VMOS管亦分N沟道管与P沟道管，但绝大多数产品属于N沟道管。对于P沟道管，测量时应交换表笔的位置。（2）有少数VMOS管在G-S之间并有保护二极管，本检测方法中的1、2项不再适用。（3）目前市场上还有一种VMOS管功率模块，专供交流电机调速器、逆变器使用。例如美国IR公司生产的IRFT001型模块，内部有N沟道、P沟道管各三只，构成三相桥式结构。（4）现在市售VNF系列（N沟道）产品，是美国Supertex公司生产的超高频功率场效应管，其工作频率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信号低频跨导gm=2000μS。适用于高速开关电路和广播、通信设备中。（5）使用VMOS管时必须加合适的散热器后。以VNF306为例，该管子加装140×140×4（mm）的散热器后，功率才能达到30W七、场效应管与晶体管的比较（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

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