项目3场效应管及其应用

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2、管的种类、特点与标识方法。（2）了解场效应管的主要参数。）了解场效应管的主要参数。（3）了解场效应管的主要用途。）了解场效应管的主要用途。【技能目标技能目标】（1）能用目视法判断识别常见场效应管的种类，能正确叫出各种场效应管的名）能用目视法判断识别常见场效应管的种类，能正确叫出各种场效应管的名称。称。（2）对场效应管上标识的型号能正确识读，知晓该场效应管的特点和用途。）对场效应管上标识的型号能正确识读，知晓该场效应管的特点和用途。（3）会用万用表对各种场效应管进行正确测量，并对其质量做出评价。）会用万用表对各种场效应管进行正确测量，并对其质量做出评价。晶体三极管是一种电流控制型元件，当它工作在

3、放大状态时，必须给基极提供一定的基极电流，需要从信号源中吸取电流。这对于有一定内阻且信号又比较微弱的信号源来说，信号电压在内阻上的损耗太大，其输出电压就更小，以至于不能被放大器有效的接收到。从器件本身来看，就是其输入电阻太小。上世纪六十年代，科学家研制出另一种三端半导体器件，叫做场效应晶体管，简称为场效应管。它是一种电压控制型器件，利用改变外加电场的强弱来控制半导体材料的导电能力。场效应管的输入电阻极高（最高可达1015），几乎不吸取信号源电流。它还具有热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等优点，因此在电子电路中得到了广泛的应用。常见场效应管的实物外形和电路符号如图3.1所

4、示图3.1常见场效应管的实物外形3.1场效应管的类型和结构场效应管的类型和结构3.1.1.绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管的结构是金属氧化物半导体，简称为MOS管。MOS管又分N沟道和P沟道两种，每一种又分为增强型和耗尽型两种类型。1.N沟道增强型绝缘栅型场效应管的结构、符号和工作原理N沟道增强型MOS晶体管的结构如图3.11(a)所示，它的三个电极分别叫做源极、漏极和栅极。在P型硅薄片（作衬底）上制成两个掺杂浓度高的N区（用N+表示），用铝电极引出作为源极S和漏极D，两极之间的区域叫做沟道，漏极电流经此沟道流到源极。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅表

5、面上引出一个电极叫做栅极G。栅极同源极、漏极均无电接触，故称作“绝缘栅极”。通常在衬底上也引出一个电极，将之与源极相连。图3.1绝缘栅型场效应管的结构和符号3.1.2结型场效应管结型场效应管1.结型场效应管的结构、符号和工作原理结型场效应管的结构、符号和工作原理结型场效应管也分成N沟道和P沟道两种类型。N沟道结型场效应管的结构和符号如图3.6(a)和图3.6(b)所示。它是用一块N型半导体作衬底，在其两侧做成两个杂质浓度很高的P型区，形成两个PN结。从两边的P型区引出两个电极并在一起，成为栅极G；在N型衬底的两端各引出一个电极，分别叫做漏极D和源极S。两个PN结中间的N型区域，叫做导电沟道，它

6、是漏极和源极之间的电流通道。如果用P型半导体做衬底，则可构成P沟道结型场效应管，其符号如图3.6(c)所示。N沟道和P沟道结型场效应管符号上的区别，在于栅极的箭头指向不同，但都是由P区指向N区。图3.6N沟道结型场效应管的结构和符号N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，下面我们以N沟道结型场效应管为例进行分析。研究场效应管主要是分析输入电压对输出电流的控制作用。在图3.7中给出了当漏极和源极之间的电压UDS=0时，栅源电压UGS对导电沟道影响的示意图。图3.7栅源电压UGS对导电沟道影响的示意图2.N沟道结型场效应管的特性曲线沟道结型场效应管的特性曲线栅源电压对漏极电流的控制关系用转移

7、特性曲线表示出来，如图3.8所示。转移特性是指在漏极和源极电压UDS一定时，漏极电流ID和栅源电压UGS的关系。UGS=0时的ID，叫做栅源短路时漏极电流，用IDSS表示；使漏极电流ID0时的栅源电压就是夹断电压UGS（OFF）。图3.8栅源电压对漏极电流的转移特性曲线图3.9是N沟道结型场效应管的输出特性。它是指在栅源电压一定时，漏极电流和漏源电压UDS之间的关系。它分成可变电阻区、恒流区和击穿区。图3.9N沟道结型场效应管的输出特性3.2场效应管的检测方法场效应管的检测方法3.2.1 VMOS管的测量的测量1.VMOS管（VMOSFET）V绝缘栅型场效应管简称VMOS管或功率场效应管，其全

8、称为V型槽绝缘栅型场效应管。其结构如图3.10所示。图3.10V绝缘栅型场效应管的结构它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了绝缘栅型场效应管输入阻抗高（108）、驱动电流小（0.1A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。2.VMOS管的检测方法的检测方法（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。若发现某脚与其余

9、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和漏极DV绝缘栅型场效应管的源-漏极之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻的差异，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，此时黑表笔接的是S极，红表笔接的是D极。（3）测量漏-源通态电阻RDS（on）将V绝缘栅型场效应管的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VMO

10、S管，RDS（on）=3.2，大于其典型值0.58。（4）检查V绝缘栅型场效应管的跨导将万用表置于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，表针应有明显偏转，偏转愈大，管子的跨导愈高。3关于关于V绝缘栅型场效应管的几个问题绝缘栅型场效应管的几个问题（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之间并联一只保护二极管，所以上述检测方法中的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和逆变器使用。例如美国IR公司生产的IRFT001型模块，内

11、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。适用于高速开关电路、广播和通信设备中。（5）使用VMOS管时，必须加合适的散热器。以VNF306为例，该管子加装1401404（mm）的散热器后，其最大功率才能达到30W。3.2.2绝缘栅型场效应管(MOSFET)的测量绝缘栅型场效应管除了放大能力稍弱之外，在导通电阻、开关速度、噪声及抗干扰能力等参数方面，都比双极型三极管均有着明显的优势。绝缘栅型场效应管能

12、在很小的电流和很低德电压条件下工作，而且它的制造工艺简单，可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此绝缘栅型场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。1.使用绝缘栅型场效应管时必须注意的安全防护措施由于绝缘栅型场效应管的输入阻抗极高，其栅极只要有微量感应电荷产生的电势，就足以击穿其绝缘层而造成器件的损坏。所以对于绝缘栅型场效应管的存放和使用，需要采取一些防护措施。（1）存放和运输时的防护绝缘栅型场效应管在运输和贮藏中必须将其引出脚短路，可以用金属导线将器件的三只管脚捆扎起来，如图3.11所示。待场效应管焊接到电路板上之后再剪去捆扎线。存放时要用金属盒屏蔽包装，以防止外来感应电势将栅极击

13、穿。千万不能将绝缘栅型场效应管放人塑料盒子内。图3.11绝缘栅型场效应管各个电极的短路存放（2）工作设施要良好接地在工作过程中，要求一切测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须有良好的接地。从元器件架上取管时，应以适当的方式确保人体接地如采用接地环等。（3）焊接时要注意管脚顺序在焊接绝缘栅型场效应管时，要按源极漏极栅极的先后顺序焊接。焊接时，可用25W得电烙铁进行焊接，电烙铁的外壳必须装有接地线，以防止由于电烙铁带电而损坏管子，最好将电烙铁的电源断开后利用余热进行焊接。焊接时如果能采用先进的气热型电烙铁是最安全的。（4）不允许带电操作在未关断电源时，绝对不可以把场效应管插人电路或从电路中拔出。

14、（5）安装场效应管时需要注意的问题在安装场效应管时，注意安装的位置要尽量避免靠近发热元件；为了防止管件振动，有必要将管壳体紧固起来；管脚引线在弯曲时，应当在大于根部尺寸5毫米处进行，以防止弯断管脚和引起漏气等。（6）功率型场效应管的散热问题对于功率型场效应管，要有良好的散热条件。因为功率型场效应管在高负荷条件下运用，会产生大量的热量，必须按照要求设计适合的散热器，确保壳体温度不超过额定值，使器件长期稳定可靠地工作。2.一般绝缘栅型场效应管的测量方法（1）准备工作测量之前，先把人体对地短路一下，最好在手腕上接一条导线与大地始终保持连通，使人体与大地保持等电位。然后再把绝缘栅型场效应管的管脚分开，

15、拆掉短路导线。（2）判定栅极将万用表拨至R1k档，分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其余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。（3）判定源极S和漏极D绝缘栅型场效应管的源-漏极之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻的差异，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，此时黑表笔接的是S极，红表笔接的是D极。（4）测量漏-源通态电阻RDS（on）将绝缘栅型场效应管的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。（5）检查绝缘栅型场效应管的跨导将万

16、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，表针应有明显偏转，偏转愈大，管子的跨导愈高。3.特殊绝缘栅型场效应管的测量方法特殊绝缘栅型场效应管的测量方法目前市场上销售的绝缘栅型场效应管的种类和封装很多，其中的大多数MOS管，尤其是功率型MOS管，内部集成有完善的保护环节，在g-s极间内置一只保护二极管，所以平时的存放和运输就不需要把各管脚进行短路保护了，使用起来与双极型三极管一样方便。不过，保护单元的存在却又使得MOS管的内部结构变得复杂，测试方法也有所不同。（1）带有保护环节的NMOS管的测试NMOS管内部的保护环节有多种类型，这就决定了测量过程存在着多

17、样性，常见带有保护环节的NMOS管的内部结构如图3.12所示。图3.12两种带有保护环节的NMOS管内部结构（2）有电阻的特殊小功率NMOS管的测试图3.12所示的NMOS管在目前使用较广，带有寄生二极管的典型器件如IRF740、IRF830和PMOS型的IRF9630等。日本产的2SKl548、FS3KMl6A为带有保护二极管的这类NMOS器件的典型代表。此外，还有一类比较特殊的NMOS管，这类NMOS管的栅极G在并联了保护二极管的同时还集成有一只电阻，其结构如图3.15所示。图3.15有电阻的特殊小功率NMOS管4.型号不明的MOS管的测量对于型号不明的MOS管，通过检测其单向导电性往往只

18、能判断出其中哪一只管脚为栅极，而不能直接识别管子的极性和D、S极。对此，合理的测试方法如下：（1）万用表取R1k挡，在观察到单向导电性之后，判断出其中哪一只管脚为栅极，然后交换两只表笔的位置。（2）将万用表切换至R10k挡，保持黑笔不动，将红笔移到栅极G停留几秒后再回到原位，若指针出现满偏，则该元件为PMOS管，且黑笔所接管脚为源极S、红笔所接为漏极D；（3）若在第2步表的指针没有发生大幅度偏转，则保持红笔位置不变，将黑笔移到栅极G停留几秒后回到原位，若指针出现满偏，则管子的类型为NMOS，黑笔所接管脚为漏极D，红笔所接为源极S。和三极管相似，场效应管也有放大和开关两方面的基本应用，这里不再赘述。图3.17为一般场效应管的引脚排列顺序。图3.17常见场效应管的引脚排列（a）MOSFET;（b）JFET