場(chǎng)效應(yīng)管工作原理是什么?

場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電,因此稱為雙極型晶體管,而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高（108～109Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。

一、場(chǎng)效應(yīng)管的分類

　　場(chǎng)效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）因有兩個(gè)PN結(jié)而得名，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（JGFET）則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。目前在絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管中，應(yīng)用最為廣泛的是MOS場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱MOS管（即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET）；此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管，以及最近剛問世的πMOS場(chǎng)效應(yīng)管、VMOS功率模塊等。
　　按溝道半導(dǎo)體材料的不同，結(jié)型和絕緣柵型各分溝道和P溝道兩種。若按導(dǎo)電方式來劃分，場(chǎng)效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強(qiáng)型。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強(qiáng)型的。
　　場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。而MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強(qiáng)型；P溝耗盡型和增強(qiáng)型四大類。見下圖。

二、場(chǎng)效應(yīng)三極管的型號(hào)命名方法

　　現(xiàn)行有兩種命名方法。第一種命名方法與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結(jié)型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C 是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。
　　第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。

三、場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)

場(chǎng)效應(yīng)管的參數(shù)很多，包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，但一般使用時(shí)關(guān)注以下主要參數(shù)：
1、I _DSS — 飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中，柵極電壓U _GS=0時(shí)的漏源電流。
2、U_P — 夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管中，使漏源間剛截止時(shí)的柵極電壓。
3、U_T — 開啟電壓。是指增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。
4、g_M — 跨導(dǎo)。是表示柵源電壓U _GS — 對(duì)漏極電流I _D的控制能力，即漏極電流I _D變化量與柵源電壓U_GS變化量的比值。g_M 是衡量場(chǎng)效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。
5、BU_DS — 漏源擊穿電壓。是指柵源電壓U_GS一定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項(xiàng)極限參數(shù)，加在場(chǎng)效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BU_DS。
6、P_DSM — 最大耗散功率。也是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)管性能不變壞時(shí)所允許的最大漏源耗散功率。使用時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于P_DSM并留有一定余量。
7、I_DSM — 最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場(chǎng)效應(yīng)管正常工作時(shí)，漏源間所允許通過的最大電流。場(chǎng)效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過I_DSM

幾種常用的場(chǎng)效應(yīng)三極管的主要參數(shù)
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四、場(chǎng)效應(yīng)管的作用

1、場(chǎng)效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。
2、場(chǎng)效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。
3、場(chǎng)效應(yīng)管可以用作可變電阻。
4、場(chǎng)效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。
5、場(chǎng)效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。

五、場(chǎng)效應(yīng)管的測(cè)試

1、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的管腳識(shí)別：
　　場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相當(dāng)于晶體管的基極，源極和漏極分別對(duì)應(yīng)于晶體管的發(fā)射極和集電極。將萬用表置于R×1k檔，用兩表筆分別測(cè)量每?jī)蓚€(gè)管腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個(gè)管腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)KΩ時(shí)，則這兩個(gè)管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個(gè)管腳即為柵極G。對(duì)于有4個(gè)管腳的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。
2、判定柵極
　　用萬用表黑表筆碰觸管子的一個(gè)電極，紅表筆分別碰觸另外兩個(gè)電極。若兩次測(cè)出的阻值都很小，說明均是正向電阻，該管屬于N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，黑表筆接的也是柵極。
　　制造工藝決定了場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極是對(duì)稱的，可以互換使用，并不影響電路的正常工作，所以不必加以區(qū)分。源極與漏極間的電阻約為幾千歐。
　　注意不能用此法判定絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極。因?yàn)檫@種管子的輸入電阻極高，柵源間的極間電容又很小，測(cè)量時(shí)只要有少量的電荷，就可在極間電容上形成很高的電壓，容易將管子損壞。
3、估測(cè)場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力
　　將萬用表?yè)艿絉×100檔，紅表筆接源極S，黑表筆接漏極D，相當(dāng)于給場(chǎng)效應(yīng)管加上1.5V的電源電壓。這時(shí)表針指示出的是D-S極間電阻值。然后用手指捏柵極G，將人體的感應(yīng)電壓作為輸入信號(hào)加到柵極上。由于管子的放大作用，UDS和ID都將發(fā)生變化，也相當(dāng)于D-S極間電阻發(fā)生變化，可觀察到表針有較大幅度的擺動(dòng)。如果手捏柵極時(shí)表針擺動(dòng)很小，說明管子的放大能力較弱；若表針不動(dòng)，說明管子已經(jīng)損壞。
　　由于人體感應(yīng)的50Hz交流電壓較高，而不同的場(chǎng)效應(yīng)管用電阻檔測(cè)量時(shí)的工作點(diǎn)可能不同，因此用手捏柵極時(shí)表針可能向右擺動(dòng)，也可能向左擺動(dòng)。少數(shù)的管子RDS減小，使表針向右擺動(dòng)，多數(shù)管子的RDS增大，表針向左擺動(dòng)。無論表針的擺動(dòng)方向如何，只要能有明顯地?cái)[動(dòng)，就說明管子具有放大能力。
本方法也適用于測(cè)MOS管。為了保護(hù)MOS場(chǎng)效應(yīng)管，必須用手握住螺釘旋具絕緣柄，用金屬桿去碰柵極，以防止人體感應(yīng)電荷直接加到柵極上，將管子損壞。
　　MOS管每次測(cè)量完畢，G-S結(jié)電容上會(huì)充有少量電荷，建立起電壓UGS，再接著測(cè)時(shí)表針可能不動(dòng)，此時(shí)將G-S極間短路一下即可。

　　 目前常用的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管和MOS型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的管腳順序如下圖所示。

六、常用場(chǎng)效用管

1、MOS場(chǎng)效應(yīng)管
　　即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管，英文縮寫為MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），屬于絕緣柵型。其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻（最高可達(dá)1015Ω）。它也分N溝道管和P溝道管，符號(hào)如圖1所示。通常是將襯底（基板）與源極S接在一起。根據(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又分增強(qiáng)型、耗盡型。所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)VGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的VGS后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。耗盡型則是指，當(dāng)VGS=0時(shí)即形成溝道，加上正確的VGS時(shí)，能使多數(shù)載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止。
　　以N溝道為例，它是在P型硅襯底上制成兩個(gè)高摻雜濃度的源擴(kuò)散區(qū)N+和漏擴(kuò)散區(qū)N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內(nèi)部連通，二者總保持等電位。圖1（a）符號(hào)中的前頭方向是從外向電，表示從P型材料（襯底）指身N型溝道。當(dāng)漏接電源正極，源極接電源負(fù)極并使VGS=0時(shí)，溝道電流（即漏極電流）ID=0。隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)之間就感應(yīng)出帶負(fù)電的少數(shù)載流子，形成從漏極到源極的N型溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VTN（一般約為+2V）時(shí)，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID。

　　 國(guó)產(chǎn)N溝道MOSFET的典型產(chǎn)品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均為單柵管），4DO1（雙柵管）。它們的管腳排列（底視圖）見圖2。
　　MOS場(chǎng)效應(yīng)管比較“嬌氣”。這是由于它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，極易受外界電磁場(chǎng)或靜電的感應(yīng)而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當(dāng)高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。因此了廠時(shí)各管腳都絞合在一起，或裝在金屬箔內(nèi)，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷。管子不用時(shí)，全部引線也應(yīng)短接。在測(cè)量時(shí)應(yīng)格外小心，并采取相應(yīng)的防靜電感措施。
　　MOS場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)方法
（1）．準(zhǔn)備工作
　　測(cè)量之前，先把人體對(duì)地短路后，才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導(dǎo)線與大地連通，使人體與大地保持等電位。再把管腳分開，然后拆掉導(dǎo)線。
（2）．判定電極
　　將萬用表?yè)苡赗×100檔，首先確定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大，證明此腳就是柵極G。交換表筆重測(cè)量，S-D之間的電阻值應(yīng)為幾百歐至幾千歐，其中阻值較小的那一次，黑表筆接的為D極，紅表筆接的是S極。日本生產(chǎn)的3SK系列產(chǎn)品，S極與管殼接通，據(jù)此很容易確定S極。
（3）．檢查放大能力（跨導(dǎo)）
　　將G極懸空，黑表筆接D極，紅表筆接S極，然后用手指觸摸G極，表針應(yīng)有較大的偏轉(zhuǎn)。雙柵MOS場(chǎng)效應(yīng)管有兩個(gè)柵極G1、G2。為區(qū)分之，可用手分別觸摸G1、G2極，其中表針向左側(cè)偏轉(zhuǎn)幅度較大的為G2極。
　　目前有的MOSFET管在G-S極間增加了保護(hù)二極管，平時(shí)就不需要把各管腳短路了。

?　　MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用注意事項(xiàng)。
　　MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在使用時(shí)應(yīng)注意分類，不能隨意互換。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管由于輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時(shí)應(yīng)注意以下規(guī)則：
（1）.??MOS器件出廠時(shí)通常裝在黑色的導(dǎo)電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便拿個(gè)塑料袋裝。也可用細(xì)銅線把各個(gè)引腳連接在一起，或用錫紙包裝
（2）.取出的MOS器件不能在塑料板上滑動(dòng)，應(yīng)用金屬盤來盛放待用器件。
（3）. 焊接用的電烙鐵必須良好接地。
（4）. 在焊接前應(yīng)把電路板的電源線與地線短接，再M(fèi)OS器件焊接完成后在分開。
（5）. MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機(jī)時(shí)順序相反。
（6）.電路板在裝機(jī)之前，要用接地的線夾子去碰一下機(jī)器的各接線端子，再把電路板接上去。
（7）. MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極在允許條件下，最好接入保護(hù)二極管。在檢修電路時(shí)應(yīng)注意查證原有的保護(hù)二極管是否損壞。

2、VMOS場(chǎng)效應(yīng)管
　　VMOS場(chǎng)效應(yīng)管（VMOSFET）簡(jiǎn)稱VMOS管或功率場(chǎng)效應(yīng)管，其全稱為V型槽MOS場(chǎng)效應(yīng)管。它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效、功率開關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高（≥108W）、驅(qū)動(dòng)電流?。ㄗ笥?.1μA左右），還具有耐壓高（最高可耐壓1200V）、工作電流大（1.5A～100A）、輸出功率高（1～250W）、跨導(dǎo)的線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性。正是由于它將電子管與功率晶體管之優(yōu)點(diǎn)集于一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千倍）、功率放大器、開關(guān)電源和逆變器中正獲得廣泛應(yīng)用。
　　眾所周知，傳統(tǒng)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極、源極和漏極大大致處于同一水平面的芯片上，其工作電流基本上是沿水平方向流動(dòng)。VMOS管則不同，從左下圖上可以看出其兩大結(jié)構(gòu)特點(diǎn):第一，金屬柵極采用V型槽結(jié)構(gòu)；第二，具有垂直導(dǎo)電性。由于漏極是從芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平流動(dòng)，而是自重?fù)诫sN+區(qū)（源極S）出發(fā)，經(jīng)過P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū)，最后垂直向下到達(dá)漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，因?yàn)榱魍ń孛娣e增大，所以能通過大電流。由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬于絕緣柵型MOS場(chǎng)效應(yīng)管。

　　 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的主要廠家有877廠、天津半導(dǎo)體器件四廠、杭州電子管廠等，典型產(chǎn)品有VN401、VN672、VMPT2等。表1列出六種VMOS管的主要參數(shù)。其中，IRFPC50的外型如右上圖所示。

?　　VMOS場(chǎng)效應(yīng)管的檢測(cè)方法
（1）．判定柵極G
　　將萬用表?yè)苤罵×1k檔分別測(cè)量三個(gè)管腳之間的電阻。若發(fā)現(xiàn)某腳與其字兩腳的電阻均呈無窮大，并且交換表筆后仍為無窮大，則證明此腳為G極，因?yàn)樗土硗鈨蓚€(gè)管腳是絕緣的。
（2）．判定源極S、漏極D
? ? 由圖1可見，在源-漏之間有一個(gè)PN結(jié)，因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻存在差異，可識(shí)別S極與D極。用交換表筆法測(cè)兩次電阻，其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，此時(shí)黑表筆的是S極，紅表筆接D極。
（3）．測(cè)量漏-源通態(tài)電阻RDS（on）
? ? 將G-S極短路，選擇萬用表的R×1檔，黑表筆接S極，紅表筆接D極，阻值應(yīng)為幾歐至十幾歐。
由于測(cè)試條件不同，測(cè)出的RDS（on）值比手冊(cè)中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表R×1檔實(shí)測(cè)一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。
（4）．檢查跨導(dǎo)
　　 將萬用表置于R×1k（或R×100）檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，手持螺絲刀去碰觸柵極，表針應(yīng)有明顯偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)愈大，管子的跨導(dǎo)愈高。

注意事項(xiàng)：
（1）VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數(shù)產(chǎn)品屬于N溝道管。對(duì)于P溝道管，測(cè)量時(shí)應(yīng)交換表筆的位置。
（2）有少數(shù)VMOS管在G-S之間并有保護(hù)二極管，本檢測(cè)方法中的1、2項(xiàng)不再適用。
（3）目前市場(chǎng)上還有一種VMOS管功率模塊，專供交流電機(jī)調(diào)速器、逆變器使用。例如美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IRFT001型模塊，內(nèi)部有N溝道、P溝道管各三只，構(gòu)成三相橋式結(jié)構(gòu)。
（4）現(xiàn)在市售VNF系列（N溝道）產(chǎn)品，是美國(guó)Supertex公司生產(chǎn)的超高頻功率場(chǎng)效應(yīng)管，其最高工作頻率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信號(hào)低頻跨導(dǎo)gm=2000μS。適用于高速開關(guān)電路和廣播、通信設(shè)備中。
（5）使用VMOS管時(shí)必須加合適的散熱器后。以VNF306為例，該管子加裝140×140×4（mm）的散熱器后，最大功率才能達(dá)到30W

七、場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管的比較

（1）場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場(chǎng)效應(yīng)管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用晶體管。
（2）場(chǎng)效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而晶體管是即有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極型器件。
（3）有些場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比晶體管好。
（4）場(chǎng)效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場(chǎng)效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場(chǎng)效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.什么叫場(chǎng)效應(yīng)管？

Fffect Transistor的縮寫,即為場(chǎng)效應(yīng)晶體管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電,因此稱為

雙極型晶體管,而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。FET應(yīng)用范圍很廣,但不能說現(xiàn)在普及的雙極

型晶體管都可以用FET替代。然而，由于FET的特性與雙極型晶體管的特性完全不同，能構(gòu)成技術(shù)性能非常好的電路。

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