場效應管工作原理

1.什麼叫場效應管？
    FET是Field-Effect-Transistor的縮寫,即為場效應晶體管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數載流子和反極性的少數載流子參與導電,因此稱為雙極型晶體管,而FET僅是由多數載流子參與導電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。FET應用範圍很廣,但不能說現在普及的雙極型晶體管都可以用FET替代。然而，由於FET的特性與雙極型晶體管的特性完全不同，能構成技術性能非常好的電路。

2. 場效應管的工作原理：
 
(a) JFET的概念圖
 
(b) JFET的符號

    圖1(b)門極的箭頭指向為p指向 n方向，分別表示內向為n溝道JFET，外向為p溝道JFET。 圖1（a）表示n溝道JFET的特性例。以此圖為基礎看看JFET的電氣特性的特點。
    首先，門極-源極間電壓以0V時考慮（VGS =0）。在此狀態下漏極-源極間電壓VDS 從0V增加，漏電流ID幾乎與VDS 成比例增加，將此區域稱為非飽和區。VDS 達到某值以上漏電流ID 的變化變小，幾乎達到一定值。此時的ID 稱為飽和漏電流（有時也稱漏電流用IDSS 表示。與此IDSS 對應的VDS 稱為夾斷電壓VP ，此區域稱為飽和區。 其次在漏極-源極間加一定的電壓VDS (例如0.8V)，VGS 值從0開始向負方向增加，ID 的值從IDSS 開始慢慢地減少，對某VGS 值ID =0。將此時的VGS 稱為門極-源極間遮斷電壓或者截止電壓，用VGS (off)示。n溝道JFET的情況則VGS (off) 值帶有負的符號,測量實際的JFET對應ID =0的VGS 因為很困難,在放大器使用的小信號JFET時,將達到ID =0.1-10μA 的VGS 定義為VGS (off) 的情況多些。 關於JFET為什麼表示這樣的特性，用圖作以下簡單的說明。
 
    場效應管工作原理用一句話說，就是"漏極-源極間流經溝道的I_D ，用以門極與溝道間的pn結形成的反偏的門極電壓控制I_D "。更正確地說，ID 流經通路的寬度，即溝道截面積，它是由pn結反偏的變化，產生耗盡層擴展變化控制的緣故。 在VGS =0的非飽和區域，圖10.4.1(a)表示的過渡層的擴展因為不很大，根據漏極-源極間所加VDS的電場，源極區域的某些電子被漏極拉去，即從漏極向源極有電流I_D 流動。達到飽和區域如圖10.4.2(a)所示，從門極向漏極擴展的過度層將溝道的一部分構成堵塞型，I_D飽和。將這種狀態稱為夾斷。這意味著過渡層將溝道的一部分阻擋，並不是電流被切斷。 在過渡層由於沒有電子、空穴的自由移動，在理想狀態下幾乎具有絕緣特性，通常電流也難流動。但是此時漏極-源極間的電場，實際上是兩個過渡層接觸漏極與門極下部附近，由於漂移電場拉去的高速電子通過過渡層。 如圖10.4.1(b)所示的那樣，即便再增加VDS ，因漂移電場的強度幾乎不變產生I_D 的飽和現象。 其次，如圖10.4.2(c)所示，VGS 向負的方向變化，讓VGS =VGS (off) ，此時過渡層大致成為覆蓋全區域的狀態。而且VDS 的電場大部分加到過渡層上，將電子拉向漂移方向的電場，只有靠近源極的很短部分，這更使電流不能流通。

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

4、場效應三極體的型號命名方法
    現行有兩種命名方法。第一種命名方法與雙極型三極體相同，第三位字母J代表結型場效應管，O代表絕緣柵場效應管。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是結型N溝道場效應三極體，3DO6C 是絕緣柵型N溝道場效應三極體。 第二種命名方法是CS××#，CS代表場效應管，××以數字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規格。例如CS14A、CS45G等。

5、場效應管的參數
    場效應管的參數很多，包括直流參數、交流參數和極限參數，但一般使用時關注以下主要參數：

1. IDSS — 飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，柵極電壓U GS=0時的漏源電流。
2. UP — 夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，使漏源間剛截止時的柵極電壓。
3. UT — 開啟電壓。是指增強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導通時的柵極電壓。
4. gM — 跨導。是表示柵源電壓U GS — 對漏極電流I D的控制能力，即漏極電流I D變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM 是衡量場效應管放大能力的重要參數。
5. BUDS — 漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時，場效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數，加在場效應管上的工作電壓必須小於BUDS。
6. PDSM — 最大耗散功率。也是一項極限參數，是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應管實際功耗應小於PDSM並留有一定余量。
7. IDSM — 最大漏源電流。是一項極限參數，是指場效應管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。場效應管的工作電流不應超過IDSM

6、場效應管的作用

1. 場效應管可應用於放大。由於場效應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. 場效應管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用於多級放大器的輸入級作阻抗變換。
3. 場效應管可以用作可變電阻。
4. 場效應管可以方便地用作恆流源。
5. 場效應管可以用作電子開關。

7、常用場效用管
1、MOS場效應管
    即金屬-氧化物-半導體型場效應管，英文縮寫為MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），屬於絕緣柵型。其主要特點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1015Ω）。它也分N溝道管和P溝道管，符號如圖1所示。通常是將襯底（基板）與源極S接在一起。根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指：當VGS=0時管子是呈截止狀態，加上正確的VGS后，多數載流子被吸引到柵極，從而“增強”了該區域的載流子，形成導電溝道。耗盡型則是指，當VGS=0時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉向截止。
     以N溝道為例，它是在P型硅襯底上製成兩個高摻雜濃度的源擴散區N+和漏擴散區N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內部連通，二者總保持等電位。圖1（a）符號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。當漏接電源正極，源極接電源負極並使VGS=0時，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，在兩個擴散區之間就感應出帶負電的少數載流子，形成從漏極到源極的N型溝道，當VGS大於管子的開啟電壓VTN（一般約為+2V）時，N溝道管開始導通，形成漏極電流ID。
 
    國產N溝道MOSFET的典型產品有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場效應管比較“嬌氣”。這是由於它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，極易受外界電磁場或靜電的感應而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。因此了廠時各管腳都絞合在一起，或裝在金屬箔內，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷。管子不用時，全部引線也應短接。在測量時應格外小心，並採取相應的防靜電感措施。

MOS場效應管的檢測方法
（1）．準備工作 測量之前，先把人體對地短路后，才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導線與大地連通，使人體與大地保持等電位。再把管腳分開，然後拆掉導線。
（2）．判定電極 將萬用表撥於R×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。交換表筆重測量，S-D之間的電阻值應為幾百歐至幾千歐，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。日本生產的3SK系列產品，S極與管殼接通，據此很容易確定S極。
（3）．檢查放大能力（跨導） 將G極懸空，黑表筆接D極，紅表筆接S極，然後用手指觸摸G極，錶針應有較大的偏轉。雙柵MOS場效應管有兩個柵極G1、G2。為區分之，可用手分別觸摸G1、G2極，其中錶針向左側偏轉幅度較大的為G2極。 目前有的MOSFET管在G-S極間增加了保護二極體，平時就不需要把各管腳短路了。
MOS場效應晶體管使用注意事項。
     MOS場效應晶體管在使用時應注意分類，不能隨意互換。MOS場效應晶體管由於輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時應注意以下規則：

1. MOS器件出廠時通常裝在黑色的導電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便拿個塑料袋裝。也可用細銅線把各個引腳連接在一起，或用錫紙包裝
2. 取出的MOS器件不能在塑料板上滑動，應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. 在焊接前應把電路板的電源線與地線短接，再MOS器件焊接完成後在分開。
5. MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機時順序相反。
6. 電路板在裝機之前，要用接地的線夾子去碰一下機器的各接線端子，再把電路板接上去。
7. MOS場效應晶體管的柵極在允許條件下，最好接入保護二極體。在檢修電路時應注意查證原有的保護二極體是否損壞。

2、VMOS場效應管
     VMOS場效應管（VMOSFET）簡稱VMOS管或功率場效應管，其全稱為V型槽MOS場效應管。它是繼MOSFET之後新發展起來的高效、功率開關器件。它不僅繼承了MOS場效應管輸入阻抗高（≥108W）、驅動電流小（左右0.1μA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）、跨導的線性好、開關速度快等優良特性。正是由於它將電子管與功率晶體管之優點集於一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數可達數千倍）、功率放大器、開關電源和逆變器中正獲得廣泛應用。
     眾所周知，傳統的MOS場效應管的柵極、源極和漏極大大致處於同一水平面的晶元上，其工作電流基本上是沿水平方向流動。VMOS管則不同，從左下圖上可以看出其兩大結構特點:第一，金屬柵極採用V型槽結構；第二，具有垂直導電性。由於漏極是從晶元的背面引出，所以ID不是沿晶元水平流動，而是自重摻雜N+區（源極S）出發，經過P溝道流入輕摻雜N-漂移區，最後垂直向下到達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，因為流通截面積增大，所以能通過大電流。由於在柵極與晶元之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬於絕緣柵型MOS場效應管。
    國內生產VMOS場效應管的主要廠家有877廠、天津半導體器件四廠、杭州電子管廠等，典型產品有VN401、VN672、VMPT2等。

VMOS場效應管的檢測方法
（1）．判定柵極G 將萬用表撥至R×1k檔分別測量三個管腳之間的電阻。若發現某腳與其字兩腳的電阻均呈無窮大，並且交換表筆后仍為無窮大，則證明此腳為G極，因為它和另外兩個管腳是絕緣的。
（2）．判定源極S、漏極D 由圖1可見，在源-漏之間有一個PN結，因此根據PN結正、反向電阻存在差異，可識別S極與D極。用交換表筆法測兩次電阻，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，此時黑表筆的是S極，紅表筆接D極。
（3）．測量漏-源通態電阻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，阻值應為幾歐至十幾歐。 由於測試條件不同，測出的RDS（on）值比手冊中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表R×1檔實測一隻IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大於0.58W（典型值）。
（4）．檢查跨導 將萬用表置於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，錶針應有明顯偏轉，偏轉愈大，管子的跨導愈高。

注意事項：

1. VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數產品屬於N溝道管。對於P溝道管，測量時應交換表筆的位置。
2. 有少數VMOS管在G-S之間並有保護二極體，本檢測方法中的1、2項不再適用。
3. 目前市場上還有一種VMOS管功率模塊，專供交流電機調速器、逆變器使用。例如美國IR公司生產的IRFT001型模塊，內部有N溝道、P溝道管各三隻，構成三相橋式結構。
4. 現在市售VNF系列（N溝道）產品，是美國Supertex公司生產的超高頻功率場效應管，其最高工作頻率fp=120MHz，IDSM=1A，PDM=30W，共源小信號低頻跨導gm=2000μS。適用於高速開關電路和廣播、通信設備中。
5. 使用VMOS管時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，最大功率才能達到30W

8、場效應管與晶體管的比較

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