场效应管工作原理

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1、场效应管工作原理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。s源极 N询道场效应管漏极柵极源极 P沟道场效应管MOS场效应管也被称为 MOSFET,既 Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor （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

2、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。DOGP为解释MO觀效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个 P N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，

3、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

4、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MOSg效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。D下面简述一下用C-MOSg效应管（增强型MOSg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MO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MO%效应管导通，输出端 与电源地接通。在该电路中，P沟道MOSg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。

5、通过这种工作方式我们可以获 得较大的电流输出。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，MOSg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。+e/77/77由以上分析我们可以画出原理图中 MO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

6、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（108109Q ）、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。、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MOST （即金属- 氧化物-半导体场效应管 MOSFET;此外还有PMOSNMOS口 VMO功率场效应管， 以及最近刚问世的n MOS场效应管、VMO功率模块等。P沟道營

7、（打结构符号结型场效应管的绪构和符号口沟道二二二一耗尽尹、”斗,JV -r:f门丁;：1一耗矍层/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 MOSg效应晶体管。而MOSg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。、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

8、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 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 G=0 时的漏源电流。2、“ 一夹断电压。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

9、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、 BU)s 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BLDs6 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

10、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型号rrmW/晦 mAV% vVSn mA/ VJitMIz3DI2D100203023003EJ7E1003)2030-4901003)-5.53DO2E10012251000CSHCioo1W hL 1亠一一一-4四、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、

11、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Rxik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

12、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

13、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M0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

14、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!绝缘栅场效应管的管脚顺序如下图所示。D3DT管脚15吨屏蔽结型场效应管4衬底鸵嫌栅场效应管六、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

15、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，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寸，沟道电流（即漏 极电流）ID=O。随着VG

16、S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

17、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。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

18、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

19、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、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

20、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

21、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MOSg效应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 管。IRFPC50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 VMPT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

22、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，此时红表笔的是S极，黑表笔 接D极。(数字万用表)(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，红表笔接S极，黑表笔接 D极，阻值应为几欧至十几欧。(数字万用表)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。

23、例如 用500型万用表RX 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RX 1k (或RX 100)档，黑表笔接S极，红表笔接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。 (数字 万用表)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

24、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=200Qx S。适用于高速开关电路和广播、通信设备中。(5) 使用VMOST时必须加合适的散热器后。以 VNF306为例，该管子加装 140X 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

25、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。由于半导体三极管工作在放大状态时，必须保证发射结正偏，故输入端始终存在输入电流。改变输入电流就可改变输岀电流，所以三极管是电流控制器件，因而三极管

26、组成的放大器，其输入电阻不高。场效应管是通过改变输入电压 （即利用电场效应）来控制输岀电流的，属于电压控制器件，它不吸收信号源电流，不消耗信号源功率，因此输入电阻十分高，可高达上百兆欧。除此之外，场效应管还具有温度稳定性好，抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等优点，所得到广泛的应用。场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（IGFET），目前最常用的 MOSt。由于半导体三极管参与导电的两种极性的载流子，电子和空穴，所以又称为半导体三极管双极性三极管。场效应管仅依靠一种极性的载流子导电，所以又称为单极性三极管。FET- Field Effect transistorJFE

27、T Junction Field Effect transistorIGFET Insulated Gate Field Effect TransistorMO Metal-Oxide-Semiconductor结型场效应管一、结构结型场效应管有两种结构形式。N型沟道结型场效应管和 P型沟道结型场效应管。以 N沟道为例。在一块 N型硅半导体材料的的两边，利用合金法、扩散法或其它工艺做成高浓度的P+型区，使之形成两个 PN结，然后将两边的P+型区连在一起，引岀一个电极，称为栅极G。在N型半导体两端各引岀一个电极，分别作为源极S和漏极D。夹在两个PN结中间的N型区是源极与漏极之间的电流通道，称为导

28、电沟道。由于N型半导体多数载流子是电子，故此沟道称为N型沟道。同理，P型沟道结型场效应管中，沟道是 P型区，称为P型沟道，栅极与N型区相连。电路符号如图所示，箭头方向可理解为两个PN结的正向导电方向。二、工作原理从结型场效应管的结构可看出，我们在D S间加上电压UDS则在源极和漏极之间形成电流 ID。我们通过改变栅极和源极的反向电压UGS则可以改变两个 PN结阻档层(耗尽层)的宽度。由于栅极区是高掺杂区，所以阻挡层主要降在沟道区。故|UGS|的改变，会引起沟道宽度的变化，其沟道电阻也随之而变，从而改变了漏极电流ID。如|UGS|上升，则沟道变窄，电阻增加，ID下降。反之亦然。所以改变 UGS的

29、大小， 可以控制漏极电流。这是场效应管工作的基本原理，也是核心部分。下面我们详细讨论。1. UGS对导电沟道的影响为了便于讨论，先假设 UDS=0(a) UGS=O(b) UGSvO当UGS由零向负值增大时，PN结的阻挡层加厚，沟道变窄，电阻增大。(c) UGS=-Jp若UGS的负值再进一步增大，当 UGSMJp时，两个PN结的阻挡层相遇，沟道消失，我们称沟道被夹断”了，UP称为夹断电压，此时ID=0。2. ID与UDS UGS之间的关系假定：栅、源电压 |UGS|v|Up|，女口 UGS-1V，Up=Vo当UDS=2V时，沟道中将有电流ID通过。此电流将沿着沟道方向产生一个电压降，这样沟道上

30、各点的电位就不同，因而沟道内各点的电位就不同，因而沟道内各点与栅极的电位差也就不相等。漏极端与栅极之间的反向电压最高，如：UDG=UDSJGS=- -)=3V，沿着沟道向下逐渐降低，源极端为最低，如：USG-JGS=1V两个PN结阻挡层将出现楔形，使得靠近源极端沟道较宽，而靠近漏极端的沟道较窄。如下 图（a）所示。此时再增大 UDS由于沟道电阻增长较慢，所以ID随之增加。预夹断当进一步增加UDS当栅、漏间电压 UGD等于Up时，即UGD=UGSJDS=Up则在D极附近，两个PN结的阻挡层相遇，如下图（b）所示。我们称为预夹断。如果继续升高UDS就会使夹断区向源极端方向发展，沟道电阻增加。由于沟

31、道电阻的增长速率与UDS的增加速率基本相同，故这一期间ID趋于一恒定值，不随 UDS的增大而增大，此时，漏极电流的大小仅取决于UGS的大小。UGS越负，沟道电阻越大，ID便越小。当UGS=U时，沟道被全部夹断，ID=O，如下图（c）所示。注意：预夹断后还能有电流。不要认为预夹断后就没有电流。由于结型场效应管工作时，我们总是要栅源之间加一个反向偏置电压，使得PN结始终处于反向接法，故ID社），所以，场效应管的输入电阻 rgs很高。三、特性曲线1、输岀特性曲线以UGS为参变量时，漏极电流ID与与漏、源电压 UDS之间的关系，称为输出特性，即根据工作情况，输岀特性可划分为四个区域。可变电阻区。可变电

32、阻区位于输出特性曲线的起始部分，此区的特点是：固定UGS寸，ID随UDS增大而线性上升，相当于线性电阻；改变 UGS时，特性曲线的斜率变化，相当于电阻的阻值不同，UGS曾大，相应的电阻增大。恒流区。该区的特点是：ID基本不随UDS而变化，仅取决于 UGS的值，输出特性曲线趋于水平， 故称为恒流区或饱和区。击穿区。位于特性曲线的最右部分，当UDS升高到一定程度时，反向偏置的 PN结被击穿，ID将突然增大。UGS愈负时，达到雪崩击穿所需的UDS电压愈小。当UGS=0寸其击穿电压用BUDSS截止区。当|UGS|耳UP|时，管子的导电沟道处于完全夹断状态，ID=0，场效应管截止。2、转移特性曲线当漏、

33、源之间电压 UDS保持不变时，漏极电流ID和栅、源之间电压 UGS的关系称为转移特性。即它描述了栅、源之间的电压 UGS对漏极电流ID的控制作用。由图可见：UGS=0寸，ID=IDSS漏极电流最大，称为饱合漏极电流IDSS|UGS|增大，ID减小，当UGS-Ulp时，ID=O。Up称为夹断电压。结型场效应管的转移特性在 UGS= Up范围内可用下面近似公式表示：根据输岀特性曲线可以做岀转移特性曲线。2绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管通常由金属、氧化物和半导体制成，所以又称为金属-氧化物-半导体场效应管，简称为MOS场效应管。由于这种场效应管的栅极被绝缘层 （SiO2）隔离（所以称为绝缘栅）。因此其

34、输入电阻更 咼，可达109 Q以上。N沟道P沟道增强型 耗尽型 共有四种类型。一、N沟道增强型MOS场效应管1 结构N沟道增强型MOS场效应管的结构示意图如右图所示。把一块掺杂浓度较低的P型半导体作为衬底，然后在其表面上覆盖一层 SiO2的绝缘层，再在 SiO2层上刻岀两个窗口，通过扩散工艺形成两个高掺杂的N型区（用N+表示），并在N+区和SiO2的表面各自喷上一层金属铝，分别引出源极、漏极和控制栅极。衬 底上也引岀一根引线，通常情况下将它和源极在内部相连。2. 工作原理结型场效应管是通过改变 UGS来控制PN结的阻挡层宽窄，从而改变导电沟道的宽度，达到控制漏极电流ID的目的。而绝缘栅场效应管

35、则是利用UGS来控制 感应电荷”的多少，以改变由这些 感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流ID的目的。对N沟道增强型的MOS场效应管，当UGS=0时，在漏极和源极的两个 N+区之间是P型衬底，因此漏、源之间相当于两个背靠背的 PN结。所以无论漏、源之间加上何种极性的电压，总是不导通的，ID=O当UGSO寸，（为方便假定UDS=O）,则在SiO2的绝缘层中，产生了一个垂直半导体表面，由栅极指 向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴吸引电子，当UGSUT寸，在绝缘栅下的P型区中形成了一层以电子为主的N型层。由于源极和漏极均为 N+型，故此N型层在漏、源极间形成电子导电的沟道，称为N型沟

36、道。UT称为开启电压，此时在漏、源极间加UDS则形成电流ID。显然，此时改变 UGS则可改变沟道的宽窄，即改变沟道电阻大小，从而控制了漏极电流ID的大小。由于这类场效应管在 UGS=O寸，ID=O,只有在UGSUT 后才岀现沟道，形成电流，故称为增强型。3. 特性曲线N沟道增强型场效应管，也用转移特性、输出特性表示ID、UGS UDS之间的关系，如下图所示。转移特性：UGS0时，将产生较大的漏极电流 ID。如果使UGS0则它将削弱正离子所形成的电场，使 N沟 道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失， ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断 电压，仍用UP表示。UGSU

37、沟道消失，称为耗尽型。3. 特性曲线N沟道MOS耗尽型场效应管的特性曲线如下图所示，也分为转移特性和输出特性。其中：IDSS UGS=0时的漏极电流。UP 夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与 N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管（MOS场效应管）在电路中的符号。3场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。一、直流参数1. 饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0而漏、源极之间的电压 UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。2. 夹断电压UPUP也是耗

38、尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流（如1 mA, 50料时所需UGS的值。3开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS 定时，漏极电流ID达到某一数值（如10吩）时所需加的UGS直。4直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高， 结型为106 Q以上，MOSf可达1010Q以上。二、交流参数1 .低频跨导gm此参数是描述栅、源电压 UGS对漏极电流的控制作用，它的定义是当UDS-定时，ID与UGS的变化量之比，即跨导gm的单位是mA/V它的值可由转移特性或输岀特性求得。在

39、转移特性上工作点Q外切线的斜率即是gm或由输岀特性看，在工作点处作一条垂直横坐标的直线 （表示UDS常数），在Q点上下取一个较小 的栅、源电压变化量 AUGS然后从纵坐标上找到相应的漏极电流的变化量 AID/ AUGS则gm=MD/ AUGS此外。对结型场效应管，可由求得只要将工作点处的UGS值代入就可求得gm2极间电容场效应管三个极间的电容。包括 CGS CGD和CDS这些极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一 般为几个pF。三、极限参数1. 漏极最大允许耗散功率 PDmPDm=IDUDS2. 漏源间击穿电压 BUDS在场效应管输岀特性曲线上，当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的 UDS工

40、作时，外加在漏极、源极之间的电压不得超过此值。3. 栅源间击穿电压 BUGS结型场效应管正常工作时，栅、源之间的PN结处于反向偏置状态，若 UGS过高，PN结将被击穿。对于MOS管，栅源极击穿后不能恢复，因为栅极与沟道间的SiO2被击穿属破坏性击穿。4场效应管的特点场效应管具有放大作用，可以组成各种放大电路，它与双极性三极管相比，具有以下几个特点：1、场效应管是一种电压控制器件通过UGS来控制ID。而双极性三极管是电流控制器件，通过IB来控制IC。2、场效应管输入端几乎没有电流场效应管工作时，栅、源极之间的PN结处于反向偏置状态，输入端几乎没有电流。所以其直流输入电阻和交流输入电阻都非常高。而

41、双极性三极管，发射结始终处于正向偏置，总是存在输入电流，故b、e极间的输入电阻较小。3、场效应管利用多子导电由于场效应管是利用多数载流子导电的，因此，与双极性三极管相比，具有噪声小、受幅射的影响 小、热稳定性好而且存在零温度系数工作点等特性。4、场效应管的源漏极有时可以互换使用由于场效应管的结构对称，有时漏极和源极可以互换使用，而各项指标基本上不受影响。因此使用 时比较方便、灵活对于有的绝缘栅场效应管，制造时源极已和衬底连在一起，则源极和漏极不能互换。5、场效应管的制造工艺简单，便于大规模集成每个MOS场效应管在硅片上所占的面积只有双极性三极管的5%因此集成度更高。6、MOST输入电阻高，栅源

42、极容易被静电击穿MOS场效应管的输入电阻可高达 1015Q,因此，由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏。而栅极上的SiO2绝缘层双很薄，这将在栅极上产生很高的电场强度，以致引起绝缘层击穿而损坏管子。7、场效应管的跨导较小组成放大电路时，在相同负载电阻下，电压放大倍数比双极性三极管低。5场效应管放大电路根据前面讲的场效应管的结构和工作原理，和双极性三极管比较可知，场效应管具有放大作用，它的三个极和双极性三极管的三个极存在着对应关系即：G（栅极）-b（基极）S（源极）-e（发射极）D（漏极）-c（集电极）所以根据双极性三极管放大电路，可组成相应的场效应管放大电路。但由于两种放大器件各自的特点，故不能

43、将双极性三极管放大电路的三极管简单地用场效应管取代，组成场效应管放大电路。双极性三极管是电流控制器件，组成放大电路时，应给双极性三极管设置偏置偏流，而场效应管是电压控制器件，故组成放大电路时，应给场效应管设置偏压，保证放大电路具有合适的工作点，避免输岀 波形产生严重的非线性失真。一、静态工作点与偏置电路由于场效应管种类较多，故采用的偏置电路，其电压极性必须考虑。下面以N沟道为例进行讨论。N沟道的结型场效应管只能工作在UGS0而耗尽型工作在 UGS01. 1.自给偏压偏置电路右图给岀的是一种称为自给偏压电路的偏置电路，它适用于结型场效应管或耗尽型场效应管。它依靠漏极电流ID在Re上的电压降提供栅

44、极偏压。即UGS-DRS同样，在RS上要并联一个足够大的旁路电容。由场效应管的工作原理我们知道ID是随UGS变化的，而现在 UGS又取决于ID的大小，怎么确定静态工作点的ID和UGS的值呢？ 一般可采用两种方法：图解法和计算法。图解法首先，作直流负载线，由漏极回路写岀方程UDS=UDBID(RD+RS)由此在输岀特性曲线上做岀直流负载线AB,将此直流负载线逐点转到 uGA iD坐标，得到对应直流负载线的转移特性曲线CD,再由UGS-DRS在转移特性坐标中作另一条直线，两线的交点即为Q点。计算法【例】电路如上页图，场效应管为3DJG其输出特性曲线如下图所示，已知RD=2kQ，RS=1.2kQ，U

45、DD=15 V试用图解法确定该放大器的静态工作点。解：写岀输岀回路的电压电流方程，即直流负载线方程。UDS=UDBID(RD+RS)设UDS=OV时ID=OmA时在输岀特性图上将上述两点相连得直流负载线。再根据上述直流负载线与输岀特性曲线簇的交点，转移到uGS-iD坐标系中，画岀相应于该直流负载线的转移特性曲线。在转移特性曲线上，做出 UGS-DRS的曲线。它在uGS- iD坐标系中是一条直线，找出两点即可。令 ID=0 UGS=0ID=3mA UGS=3.6V连接这两点，在uGSHD坐标系中得一直线，此直线与转移特性曲线的交点即为Q点，对应Q点的值为：ID=2.5mA UGS=-3V UDS

46、=7V2. 分压式偏置电路分压式偏置电路也是一种常用的偏置电路，该种电路适用于所有类型的场效应管，如下图所示，为了不使分压电阻R1、R2对放大电路的输入电阻影响太大，故通过RG与栅极相连。该电路栅、源电压为：图解法同上，不过ID=0，UGS不等于0,而为计算法联立解下面方程组：【例】试计算上图的静态工作点 。已知R1=50k禽R2=150k禽RG=1血，RD=RS=10E, RL=1MQ CS=100F, UDD=20V 场效应管为 3DJF，其 Up=-5V，IDSS=1mA解：即将UGS代入ID式得：漏极对地电压为：UD=UDDDRD=20-0.61 X10=13.9V二、场效应管的微变等

47、效电路由于场效应管输入端不取电流，输入电阻极大，故输入端可视为开路。场效应管仅存在如下关系:rD很大，可以认为开路。根据电路方程可画岀等效电路如右上图所示。三、共源极放大电路放大电路和微变等效电路如下图与示。场效应管放大电路的动态分析同双极性三极管，也是求电压放大倍数Au、输入电阻ri和输出电阻ro。1. 电压放大倍数根据电压放大倍数的定义由等效电路可得：再找出Uo和Ui的关系，即Ugs和Ui的关系，从等效电路可得:Ui=Ugs所以：2. 输入电阻3输岀电阻四、共漏极放大器（源极输岀器）电路和等效电路如下图所示。同样求电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。1. 电压放大倍数根据电压放大倍数的定义从

48、等效电路可得：又有Ui=Ugs+Uo Ugs=Ui -Uo2. 输入电阻ri=RG3输岀电阻根据求输出电阻的方法，令：Us=0,并在输出端加一信号 U2如下图所示R1=50kQ, R2=150kQ,Up=-5V, IDSS=1mA则：【例】计算下面电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。电路参数为：RG=1MD, RD=RS=10灼,RL=1MD, CS=100pF, UDD=20V 场效应管为 3DJF,其解：由前例可知， UGS=- 1.1V , ID=0.61mAro=RD=10kQField fi:ld n. 原旷野，田地；场Effect i5fekt n.结果，效果，作用，影响transistor trAn5zistE n.电子晶体管junction 5dVQNkFEn n.连接，接合，交叉点，汇合处insulated 5insjuleitid 绝缘的隔热的gate Aeit n.大门物半导体semiconductor 5semikEn5dQktE n. metal 5metln. 金属oxide5Cksaidn.化氧化物欢迎您的下载，资料仅供参考!致力为企业和个人提供合同协议， 策划案计划书，学习资料等等打造全网一站式需求