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场效应管工作原理(1)
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。见下图。
二、场效应三极管的型号命名方法
现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同,第三位字母 J 代
表
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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
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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
最大漏源电压。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 — 最大耗散功率。也是一项极限参数,是指场效应管性能不变坏时所允许的
最大漏源耗散功率。使用时,场效应管实际功耗应小于 PDSM 并留有一定余量。
7、IDSM — 最大漏源电流。是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允
许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过 IDSM。
几种常用的场效应三极管的主要参数
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。
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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。
目前常用的结型场效应管和 MOS 型绝缘栅场效应管的管脚顺序如下图所示。
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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(最高可达 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。最好在
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,
其中阻值较小的那一次,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。
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(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,最好接入保护二极管。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(最高可耐压 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。
从左下图上可以看出其 VMOS 管两大结构特点:
第一, 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,最后垂
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。
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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)
的一次为正向电阻,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,其最高工作频率 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,最大功率才能达到 30W
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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。
场效应管工作原理(2)
1.什么叫场效应管?
Fffect Transistor 的缩写,即为场效应晶体管。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。
FET 应用范围很广,但不能说现在普及的双极
型晶体管都可以用 FET 替代。然而,由于 FET 的特性与双极型晶体管的特性完全不同,能构
成技术性能非常好的电路。
2. 场效应管的特征:
(a) JFET 的概念图
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(b) JFET 的符号
图 1 JFET 的概念图、符号
图 1(b)门极的箭头指向为 p 指向 n 方向,分别表示内向为 n 沟道 JFET,外向为 p沟道
JFET。
图 1(a)表示 n 沟道 JFET 的特性例。以此图为基础看看 JFET 的电气特性的特点。
首先,门极-源极间电压以 0V 时考虑(VGS =0)。在此状态下漏极-源极间电压 VDS 从
0V 增加,漏电流 ID 几乎与 VDS 成比例增加,将此区域称为非饱和区。VDS 达到某值以上漏
电流 ID 的变化变小,几乎达到一定值。此时的 ID 称为饱和漏电流(有时也称漏电流用 IDSS
表示。与此 IDSS 对应的 VDS 称为夹断电压 VP ,此区域称为饱和区。
其次,在漏极-源极间加一定的电压 VDS (例如 0.8V),VGS 值从 0 开始向负方向增加,
ID 的值从 IDSS 开始慢慢地减少,对某 VGS 值 ID =0。将此时的 VGS 称为门极-源极间遮断
电压或者截止电压,用 VGS (off)示。n 沟道 JFET 的情况则 VGS (off) 值带有负的符号,测
量实际的 JFET 对应 ID =0 的 VGS 因为很困难,在放大器使用的小信号 JFET 时,将达到 ID
=0.1-10μA 的 VGS 定义为 VGS (off) 的情况多些。 关于 JFET 为什么表示这样的特性,用
图作以下简单的说明。
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JFET 的工作原理用一句话说,就是"漏极-源极间流经沟道的 ID ,用以门极与沟道间的
pn 结形成的反偏的门极电压控制 ID "。更正确地说,ID 流经通路的宽度,即沟道截面积,
它是由 pn 结反偏的变化,产生耗尽层扩展变化控制的缘故。
在 VGS =0 的非饱和区域,图 10.4.1(a)表示的过渡层的扩展因为不很大,根据漏极-源
极间所加 VDS 的电场,源极区域的某些电子被漏极拉去,即从漏极向源极有电流 ID 流动。
达到饱和区域如图 10.4.2(a)所示,从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞
型,ID 饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡,并不是电流被
切断。
在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动,在理想状态下几乎具有绝缘特性,通常电流
也难流动。但是此时漏极-源极间的电场,实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近,
由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。
如图 10.4.1(b)所示的那样,即便再增加 VDS ,因漂移电场的强度几乎不变产生 ID 的
饱和现象。
其次,如图 10.4.2(c)所示,VGS 向负的方向变化,让 VGS =VGS (off) ,此时过渡层
大致成为覆盖全区域的状态。而且 VDS 的电场大部分加到过渡层上,将电子拉向漂移方向
的电场,只有靠近源极的很短部分,这更使电流不能流通。
3.场效应管的分类和结构:
FET 根据门极结构分为如下两大类。其结构如图 3 所示:
面结型 FET(简化为 JFET)
门极绝缘型 FET(简化为 MOS FET)
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图 3. FET 的结构
各种结构的 FET 均有门极、源极、漏极 3 个端子,将这些与双极性晶体管的各端子对应
如表 1 所示。
FET 双极性晶体管
漏极 集电极
门极 基极
源极 发射极
JFET 是由漏极与源极间形成电流通道(channel)的 p 型或 n 型半导体,与门极形成 pn
结的结构。 另外,门极绝缘型 FET 是通道部分(Semicoductor)上形成薄的氧化膜(Oxide),
并且在其上形成门极用金属薄膜(Metal)的结构。从制造门极结构材质按其字头顺序称为
MOS FET。 根据 JFET、MOS FET 的通道部分的半导体是 p 型或是 n 型分别有 p 沟道元件,n
沟道元件两种类型。 图 3 均为 n 沟道型结构图。
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4.场效应管的传输特性和输出特性
图 4 JFET 的特性例(n 沟道)
从图 4 所示的 n 沟道 JFET 的特性例来看,让 VGS 有很小的变化就可控制 ID 很大变化
的情况是可以理解的。采用 JFET 设计放大器电路中,VGS 与 ID 的关系即传输特性是最重
要的,其次将就传输特性以怎样方式表示加以说明。
图 5 传输特性
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这个传输特性包括 JFET 本身的结构参数,例如沟道部分的杂质浓度和载体移动性,以
致形状、尺寸等,作为很麻烦的解析结果可导出如下公式(公式的推导略去)
10.4.1
作为放大器的通常用法是 VGS 、VGS (off) < 0(n 沟道),VGS 、VGS (off) >0(p 沟
道)。式(10.4.1)用起来比较困难,多用近似的公式表示如下:
10.4.2
将此式就 VGS 改写则得下式:
10.4.3
若说式(10.4.2)是作为 JFET 的解析结果推导出来的,不如说与实际的 JFET 的特性或者
式(10.4.1)很一致的作为实验公式来考虑好些。图 5 表示式(10.4.1)、式(10.4.2)及实际的
JFET 的正规化传输特性,即以 ID /IDSS 为纵坐标,VGS /VGS (off) 为横坐标的传输特性。
n 沟道的 JFET 在 VGS < 0 的范围使用时,因 VGS(off) < 0,VGS /VGS(off) >0,但在图 5
上考虑与实际的传输特性比较方便起见,将原点向左方向作为正方向。但在设计半导体电路
时,需要使用方便且尽可能简单的近似式或实验式。 传输特性相当于双极性晶体管的 VBE
-IE 特性,但 VBE -IE 特性是与高频用、低频用、功率放大用等用途及品种无关几乎是同一
的。与此相反,JFET 时,例如即使同一品种 IDSS、VGS(off)的数值有很大差异,传输特性
按各产品也不同。
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