场效应管及其工作原理.doc

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1、场效应管及其工作原理MOS场效应管电源开关电路。这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS场效应管的工作原理。DcJ源根 P沟道场效应管4-4-MOS 场效应管也被称为 MOS FET , 既 Metal Oxide Semiconductor Field EffectTran sistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。 本文使用的为增强型 MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于 P沟道的场效应管其

2、源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗， 同时这也是我们称之为场效应管的原因。N4-为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个PN结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通,其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引 而涌向加有正电压的 P型半导体端，而 P型半导体端内的正电子则朝 N型半导体端运动， 从而形成导通电流。同理

3、，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在 N型半导体端，电子不移动，其 PN结没有电流通过，二极管截止。对于场效应管（见图 7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之 间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在 N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极

4、电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图8给出了 P沟道的MOS场效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。下面简述一下用 C-MOS场效应管（增强型 MOS场效应管）组成的应用电路的工作过程（见图9）。电路将一个增强型 P沟道MOS场效应管和一个增强型 N沟道MOS场效应管组合在一起使用。 当输入端为低电平时，P沟 道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们可以获 得较

5、大的电流输出。同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如 此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程（见图10）。工作原理同前所述。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

6、阻高（108109 Q）、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 M0S场效应管，简称M0S管（即金属-氧化物-半导体场效应管 MOSFET ）;此外还有PMOS、NMOS和VM0S 功率场效应管，以及最近刚问世的nMOS场效应管、VMOS功率模块等。(a)结构符号结型场效应管的结构和符号【饱和开贻状态3

7、関电阳尸如Id饱和加深伏态b的截止状态(Ves=Ves(oFF耗尽层pP1_0届极沟道 二二二 耗尽盧V1门根 (基片门极)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、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代表结型场效应管，0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

8、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CSXX #,CS代表场效应管，XX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、 l 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Ug=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

9、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BUDs6 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

10、效应三极管的主要参数型号mWmA他 VVV8nAMIz3EJ2D10Q30-43003E1I7E1003)-4M3903DI15H100611 -5.53DO2E1000.351212251000CSHCtoo-25-4四、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

11、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RXlk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KQ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

12、。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RX100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

13、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MOST。为了保护MOSg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。MOST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!绝缘栅场效应管的

14、管脚顺序如下图所 示。D2D吨屏蔽3DJ管脚结型场效应管4衬底细嫌栅场效应管六、常用场效用管1、MOSg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-Semico nductor Field-Effect-Tra nsistor），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1015Q ）。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，MOSFE又分 增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当 VGS=0寸管子是呈截止状态，加上正确的 VGS后，

15、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寸即形成沟道，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Do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里，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寸，沟道电流(即漏 极电流)ID=O。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

16、极到源极的N型沟道，当VGS大于管子的 开启电压VTN(般约为+2V时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID。B t国产N沟道MOSFET勺典型产品有 3DO1 3DO2 3DO4(以上均为单栅管)，4D01(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

17、。M0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MOSFE 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 RX 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。(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。

18、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MOSFE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

19、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。再把电路板接上（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， 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、VMO场效应管VMO场效应管（VMOSFET简称VMO管或功率场效应管，其全称为 V型槽 MOSg效应管。它是继MOSFE之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅 继承了 MOSg效应管输入阻抗高（108W、驱动

20、电流小（左右0.1卩A左右）， 还具有耐压高（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A100A）、输出功率高 （1250W、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。 VMO管则不同，从左下图上 可以看出其两大结构特点：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

21、+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Db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 MOSg效应 管。D国内生产VMO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。表1列出六种VMO管的主 要参数。其中，IRFPC50的外型如右上图所示。VMO场效应管的检测方法（1）.判定栅极G将万用表拨至RX 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

22、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RX 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(o n)值比手册中给出的典型值要高一些。例如 用500型万用表RX 1档实测一只IRFPC50型VMO管，RDS(on)=3.2W,大于 0.58

23、W(典型值)。( 4)检查跨导将万用表置于RX 1k (或RX 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) VMO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VMO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VMO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

24、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=200Qx S。适用于高速开关电路和广播、通信设备中。(5) 使用VMO管时必须加合适的散热器后。以 VNF306为例，该管子加装140 X 140X 4 (mm的散热器后，最大功率才能达到 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。