场效应晶体管工作原理

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1、场效应管工作原理MOS 场效应管也被称为 MOS FET， 既 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （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

2、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。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，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

3、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

4、。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 109Q）、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

5、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M0S管（即金属-氧化物-半导体场效应管M0SFET）； 此外还有PMOS、NMOS和VMOS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。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

6、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，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、 I 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 =0 时的漏DSS

7、GS源电流。2、U 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。P3、U 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。T4、g 跨导。是表示栅源电压 U 对漏极电流 I 的控制能力，即漏极电流 I 变化MGSDD量与栅源电压 U 变化量的比值。 g 是衡量场效应管放大能力的重要参数。GSM5、BU 漏源击穿电压。是指栅源电压 U 一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏DSGS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、P 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DSM 源耗散功率。使用

8、时，场效应管实际功耗应小于 P 并留有一定余量。DSM7、I 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DSM 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。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

9、，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。注意不能用

10、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。由于人体感应的 50H

11、z 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

12、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， 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

13、，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 (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MOS

14、FET的典型产品有3D01、3D02、3D04 (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。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

15、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RX100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。双栅MOS场效应管有两个栅极Gl、G2。为区分之，可用手分别触摸Gl、G2极，其中表 针向左侧偏转幅度较大的为 G2 极。目前

16、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

17、) . 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 入阻抗咼(三108W)、驱动电流小(左右0.1 “ A左右)，还具有耐压咼(最咼可耐压1200V)、 工作电流

18、大(?XML:NAMESPACE PREFIX = ST1 /1.5A100A)、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: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，

19、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。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。表1列出六种VMOS管的主要参数。其中，IRFPC50的 外型如右上图所示。VMOS 场效应管的检测方法( 1 )判定栅极 G将万用表拨至RX1k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

20、，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RX1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RX1档实测一只IRFPC50型VMOS管，RDS (on) =3.2W,大于0.58W (

21、典型值)。( 4).检查跨导将万用表置于RX1k(或RX100)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Supe

22、r tex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=2000“S。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140X140X4(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。