场效应管工作原理

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 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 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 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 下面简述一下用 C MOS 场效应管 增强型 MOS 场效应管 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 MOS 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 MOS 场效应管导 通 输出端与电源地接通 在该电路中 P 沟道 MOS 场效应管和 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 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 MOS 场效应管既被关断 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 由以上分析我们可以画出原理图中 MOS 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 108 109 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 MOS 管 即金属 氧化物 半导体场效应管 MOSFET 此外还有 PMOS NMOS 和 VMOS 功率场效应管 以及最近刚问世的 MOS 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 见下图 二 场效应三极管的型号命名方法二 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 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 CS CS 代表场效应管 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 GS 0 时的漏源电流 2 UP 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 BUDS 漏源击穿电压 是指栅源电压 UGS一定时 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 BUDS 6 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 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 R 1k 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 K 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 R 100 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 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 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 目前常用的结型场效应管和 MOS 型绝缘栅场效应管的管脚顺序如下图所示 六 常用场效用管六 常用场效用管 1 1 MOSMOS 场效应管场效应管 即金属 氧化物 半导体型场效应管 英文缩写为 MOSFET Metal Oxide 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 1015 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 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 一般约为 2V 时 N 沟道管开始导通 形成漏极电 流 ID 国产 N 沟道 MOSFET 的典型产品有 3DO1 3DO2 3DO4 以上均为单栅管 4DO1 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 MOSMOS 场效应管的检测方法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 R 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 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 MOSMOS 场效应晶体管使用注意事项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 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 2 VMOSVMOS 场效应管场效应管 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 场效应管输入阻抗高 108W 驱动电流小 左右 0 1 A 左右 还具有耐压高 最高可耐压 1200V 工作电流大 1 5A 100A 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 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 VMOSVMOS 场效应管的检测方法场效应管的检测方法 1 判定栅极 G 将万用表拨至 R 1k 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 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 R 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 on 值比手册中给出的典型值要高一些 例如 用 500 型万用表 R 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 R 1k 或 R 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 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 140 140 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 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 入电流就可改变输出电流 所以三极管是电流控制器件 因而三极管组成的放大器 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 来控制输出电流的 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 MOS 管 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 transistor JFET Junction Field Effect transistor IGFET Insulated Gate Field Effect Transistor MOS Metal Oxide Semiconductor 1 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 引出一个电极 称为栅极 G 在 N 型半导体两端各引出一个电 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 0 b UGS 0 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 Up 若 UGS 的负值再进一步增大 当 UGS Up 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 0 时 为方便假定 UDS 0 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 UGS UT 时 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 0 时 ID 0 只有在 UGS UT 后才出现沟道 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 UGS 0 时 将产生较大的漏极电流 ID 如果使 UGS 0 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 UGS UP 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 IDSS IDSS 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 UP UP 也是耗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 A 50 A 时所需 UGS 的值 3 开启电压 UT UT 是增强型场效应管的重要参数 定义 当 UDS 一定时 漏极电流 ID 达到某一数值 如 10 A 时所需加的 UGS 值 4 直流输入电阻 RGS RGS 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 以上 MOS 管可达 1010 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 一定时 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出特性求得 在转移特性上工作点 Q 外切线的 斜率即是 gm 或由输出特性看 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 UGS 然后从纵坐标上找到相应的漏极电流的变化量 ID UGS 则 gm ID UGS 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 gm 2 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 PDm PDm IDUDS 2 漏源间击穿电压 BUDS 在场效应管输出特性曲线上 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 MOS 管输入电阻高 栅源极容易被静电击穿 MOS 场效应管的输入电阻可高达 1015 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 避免输出 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 UGS 0 1 1 自给偏压偏置电路 右图给出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 上的电压降提供栅极偏压 即 UGS IDRS 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 由漏极回路写出方程 UDS UDD ID RD RS 由此在输出特性曲线上做出直流负载线 AB 将此直流负载线逐点转到 uGS iD 坐标 得到对应直流负载 线的转移特性曲线 CD 再由 UGS IDRS 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 2k RS 1 2k UDD 15V 试用图解法确定该放大器的静态工作点 解 写出输出回路的电压电流方程 即直流负载线方程 UDS UDD ID RD RS 设 UDS 0V 时 ID 0mA 时 在输出特性图上将上述两点相