场效应管技术

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1、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(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

2、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

3、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 =0.1-10A 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。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

4、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

5、.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: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

6、，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（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将此式就VGS 改写则得下式上(10.4.2) 下(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

7、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。测试1判定栅极G将万用表拨至R1k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，

8、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R1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R1档实测一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。检查跨导将万用表置于R1k（或R100）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

9、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=2000S。适

10、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1401404（mm）的散热器后，最大功率才能达到30W。（6）多管并联后，由于极间电容和分布电容相应增加，使放大器的高频特性变坏，通过反馈容易引起放大器的高频寄生振荡。为此，并联复合管管子一般不超过4个，而且在每管基极或栅极上串接防寄生振荡电阻。简单检测工具采用用指针式万用表。（1）用测电阻法判别结型场效应管的电极根据场效应管的PN结正、反向电阻值不一样的现象，可以判别出结型场效应管的三个电极。具体方法：将万用表拨在R1k档上，任选两个电极，分别测出其正、反向电阻值。当某两个电极的正

11、、反向电阻值相等，且为几千欧姆时，则该两个电极分别是漏极D和源极S。因为对结型场效应管而言，漏极和源极可互换，剩下的电极肯定是栅极。也可以将万用表的黑表笔（红表笔也行）任意接触一个电极，另一只表笔依次去接触其余的两个电极，测其电阻值。当出现两次测得的电阻值近似相等时，则黑表笔所接触的电极为栅极，其余两电极分别为漏极和源极。若两次测出的电阻值均很大，说明是结的反向，即都是反向电阻，可以判定是沟道场效应管，且黑表笔接的是栅极；若两次测出的电阻值均很小，说明是正向结，即是正向电阻，判定为沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。若不出现上述情况，可以调换黑、红表笔按上述方法进行测试，直到判别出栅极为止。（2

12、）用测电阻法判别场效应管的好坏测电阻法是用万用表测量场效应管的源极与漏极、栅极与源极、栅极与漏极、栅极1与栅极2之间的电阻值同场效应管手册标明的电阻值是否相符去判别管的好坏。具体方法：首先将万用表置于或100档，测量源极与漏极之间的电阻，通常在几十欧到几千欧范围（在手册中可知，各种不同型号的管，其电阻值是各不相同的），如果测得阻值大于正常值，可能是由于内部接触不良；如果测得阻值是无穷大，可能是内部断极。然后把万用表置于档，再测栅极1与2之间、栅极与源极、栅极与漏极之间的电阻值，当测得其各项电阻值均为无穷大，则说明管是正常的；若测得上述各阻值太小或为通路，则说明管是坏的。要注意，若两个栅极在管内

13、断极，可用元件代换法进行检测。（3）用感应信号输人法估测场效应管的放大能力具体方法：用万用表电阻的R100档，红表笔接源极，黑表笔接漏极，给场效应管加上1.5的电源电压，此时表针指示出的漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的栅极，将人体的感应电压信号加到栅极上。这样，由于管的放大作用，漏源电压VDS和漏极电流I都要发生变化，也就是漏源极间电阻发生了变化，由此可以观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明管的放大能力较差；表针摆动较大，表明管的放大能力大；若表针不动，说明管是坏的。根据上述方法，我们用万用表的R100档，测结型场效应管3DJ2F。先将管的极开路，测得漏源电阻

14、RDS为600，用手捏住极后，表针向左摆动，指示的电阻RDS为12k，表针摆动的幅度较大，说明该管是好的，并有较大的放大能力。运用这种方法时要说明几点：首先，在测试场效应管用手捏住栅极时，万用表针可能向右摆动（电阻值减小），也可能向左摆动（电阻值增加）。这是由于人体感应的交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同（或者工作在饱和区或者在不饱和区）所致，试验表明，多数管的RDS增大，即表针向左摆动；少数管的RDS减小，使表针向右摆动。但无论表针摆动方向如何，只要表针摆动幅度较大，就说明管有较大的放大能力。第二，此方法对MOS场效应管也适用。但要注意，MOS场效应管的输人电阻高，

15、栅极允许的感应电压不应过高，所以不要直接用手去捏栅极，必须用于握螺丝刀的绝缘柄，用金属杆去碰触栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极，引起栅极击穿。第三，每次测量完毕，应当G-S极间短路一下。这是因为G-S结电容上会充有少量电荷，建立起G电压，造成再进行测量时表针可能不动，只有将G-S极间电荷短路放掉才行。（4）用测电阻法判别无标志的场效应管首先用测量电阻的方法找出两个有电阻值的管脚，也就是源极和漏极，余下两个脚为第一栅极G1和第二栅极G2。把先用两表笔测的源极与漏极之间的电阻值记下来，对调表笔再测量一次，把其测得电阻值记下来，两次测得阻值较大的一次，黑表笔所接的电极为漏极；红表笔所接的为源极。

16、用这种方法判别出来的、极，还可以用估测其管的放大能力的方法进行验证，即放大能力大的黑表笔所接的是极；红表笔所接地是极，两种方法检测结果均应一样。当确定了漏极、源极的位置后，按、的对应位置装人电路，一般G1、G2也会依次对准位置，这就确定了两个栅极G1、G2的位置，从而就确定了、S、G1、G2管脚的顺序。（5）用测反向电阻值的变化判断跨导的大小对 沟道增强型场效应管测量跨导性能时，可用红表笔接源极、黑表笔接漏极，这就相当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的，管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表的欧姆档选在R10k的高阻档，此时表内电压较高。当用手接触栅极时，会发现管的反向电阻值有明显地变化，其变化越大，说明管的跨导值越高；如果被测管的跨导很小，用此法测时，反向阻值变化不大。15 / 15