場效應(yīng)管及工作原理

./場效應(yīng)管及其工作原理MOS場效應(yīng)管電源開關(guān)電路。這是該裝置的核心,在介紹該部分工作原理之前,先簡單解釋一下MOS場效應(yīng)管的工作原理。

MOS場效應(yīng)管也被稱為MOSFET,既MetalOxideSemiconductorFieldEffect

Transistor〔金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的縮寫。它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。本文使用的為增強(qiáng)型MOS

場效應(yīng)管,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型也叫P溝道型。由圖可看出,對于N溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上,同樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應(yīng)管,其輸出電流是由輸入的電壓〔或稱電場控制,可以認(rèn)為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。為解釋MOS

場效應(yīng)管的工作原理,我們先了解一下僅含有一個P—N結(jié)的二極管的工作過程。如圖6所示,我們知道在二極管加上正向電壓〔P端接正極,N端接負(fù)極時,二極管導(dǎo)通,其PN結(jié)有電流通過。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時,N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端,而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動,從而形成導(dǎo)通電流。同理,當(dāng)二極管加上反向電壓〔P端接負(fù)極,N端接正極時,這時在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓,正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端,負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端,電子不移動,其PN結(jié)沒有電流通過,二極管截止。對于場效應(yīng)管〔見圖7,在柵極沒有電壓時,由前面分析可知,在源極與漏極之間不會有電流流過,此時場效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)〔圖7a。當(dāng)有一個正電壓加在N溝道的MOS

場效應(yīng)管柵極上時,由于電場的作用,此時N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)電子被吸引出來而涌向柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導(dǎo)體中〔見圖7b,從而形成電流,使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個N型半導(dǎo)體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當(dāng)于為它們之間搭了一座橋梁,該橋的大小由柵壓的大小決定。圖8給出了P溝道的MOS

場效應(yīng)管的工作過程,其工作原理類似這里不再重復(fù)。下面簡述一下用C-MOS場效應(yīng)管〔增強(qiáng)型MOS

場效應(yīng)管組成的應(yīng)用電路的工作過程〔見圖9。電路將一個增強(qiáng)型P溝道MOS場效應(yīng)管和一個增強(qiáng)型N溝道MOS場效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時,P溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時,N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道MOS場效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作,其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時,MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱?使得該電路不會因?yàn)閮晒芡瑫r導(dǎo)通而造成電源短路。由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應(yīng)管電路部分的工作過程〔見圖10。工作原理同前所述。場效應(yīng)晶體管〔FieldEffectTransistor縮寫<FET>簡稱場效應(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)大競爭者。

一、場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類。結(jié)型場效應(yīng)管〔JFET因有兩個PN結(jié)而得名,絕緣柵型場效應(yīng)管〔JGFET則因柵極與其它電極完全絕緣而得名。目前在絕緣柵型場效應(yīng)管中,應(yīng)用最為廣泛的是MOS場效應(yīng)管,簡稱MOS管〔即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET；此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場效應(yīng)管,以及最近剛問世的πMOS場效應(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,場效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強(qiáng)型。結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型,絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的,也有增強(qiáng)型的。場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管。而MOS場效應(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、場效應(yīng)三極管的型號命名方法現(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)型場效應(yīng)管,O代表絕緣柵場效應(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溝道場效應(yīng)三極管,3DO6C是絕緣柵型N溝道場效應(yīng)三極管。

第二種命名方法是CS××#,CS代表場效應(yīng)管,××以數(shù)字代表型號的序號,#用字母代表同一型號中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。三、場效應(yīng)管的參數(shù)場效應(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),但一般使用時關(guān)注以下主要參數(shù)：

1、IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中,柵極電壓UGS=0時的漏源電流。

2、UP—夾斷電壓。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)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(qiáng)型絕緣柵場效管中,使漏源間剛導(dǎo)通時的柵極電壓。

4、gM—跨導(dǎo)。是表示柵源電壓UGS—對漏極電流ID的控制能力,即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM是衡量場效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。

5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時,場效應(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),加在場效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一項(xiàng)極限參數(shù),是指場效應(yīng)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(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù),是指場效應(yīng)管正常工作時,漏源間所允許通過的最大電流。場效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過IDSM幾種常用的場效應(yīng)三極管的主要參數(shù)四、場效應(yīng)管的作用1、場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場效應(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。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。

3、場效應(yīng)管可以用作可變電阻。

4、場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。

5、場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。五、場效應(yīng)管的測試1、結(jié)型場效應(yīng)管的管腳識別：

場效應(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,用兩表筆分別測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個管腳間的正、反向電阻相等,均為數(shù)KΩ時,則這兩個管腳為漏極D和源極S〔可互換,余下的一個管腳即為柵極G。對于有4個管腳的結(jié)型場效應(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電極,紅表筆分別碰觸另外兩個電極。若兩次測出的阻值都很小,說明均是正向電阻,該管屬于N溝道場效應(yīng)管,黑表筆接的也是柵極。

制造工藝決定了場效應(yīng)管的源極和漏極是對稱的,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,測量時只要有少量的電荷,就可在極間電容上形成很高的電壓,容易將管子損壞。

3、估測場效應(yīng)管的放大能力

將萬用表撥到R×100檔,紅表筆接源極S,黑表筆接漏極D,相當(dāng)于給場效應(yīng)管加上1.5V的電源電壓。這時表針指示出的是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。如果手捏柵極時表針擺動很小,說明管子的放大能力較弱；若表針不動,說明管子已經(jīng)損壞。

由于人體感應(yīng)的50Hz交流電壓較高,而不同的場效應(yīng)管用電阻檔測量時的工作點(diǎn)可能不同,因此用手捏柵極時表針可能向右擺動,也可能向左擺動。少數(shù)的管子RDS減小,使表針向右擺動,多數(shù)管子的RDS增大,表針向左擺動。無論表針的擺動方向如何,只要能有明顯地?cái)[動,就說明管子具有放大能力。

本方法也適用于測MOS管。為了保護(hù)MOS場效應(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管每次測量完畢,G-S結(jié)電容上會充有少量電荷,建立起電壓UGS,再接著測時表針可能不動,此時將G-S極間短路一下即可。目前常用的結(jié)型場效應(yīng)管和MOS型絕緣柵場效應(yīng)管的管腳順序如下圖所示。六、常用場效用管1、MOS場效應(yīng)管

即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管,英文縮寫為MOSFET〔Metal-Oxide-SemiconductorField-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時即形成溝道,加上正確的VGS時,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符號中的前頭方向是從外向里,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,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(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,N溝道管開始導(dǎo)通,形成漏極電流ID。國產(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,全部引線也應(yīng)短接。在測量時應(yīng)格外小心,并采取相應(yīng)的防靜電感措施。

MOS場效應(yīng)管的檢測方法

〔1．準(zhǔn)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(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

將萬用表撥于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(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場效應(yīng)管有兩個柵極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,平時就不需要把各管腳短路了。

MOS場效應(yīng)晶體管使用注意事項(xiàng)。

MOS場效應(yīng)晶體管在使用時應(yīng)注意分類,不能隨意互換。MOS場效應(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,使用時應(yīng)注意以下規(guī)則：

〔1.MOS器件出廠時通常裝在黑色的導(dǎo)電泡沫塑料袋中,切勿自行隨便拿個塑料袋裝。也可用細(xì)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(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。在檢修電路時應(yīng)注意查證原有的保護(hù)二極管是否損壞。2、VMOS場效應(yīng)管

VMOS場效應(yīng)管〔VMOSFET簡稱VMOS管或功率場效應(yīng)管,其全稱為V型槽MOS場效應(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場效應(yīng)管輸入阻抗高〔≥108W、驅(qū)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(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。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,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場效應(yīng)管。國內(nèi)生產(chǎn)VMOS場效應(yīng)管的主要廠家有877廠、天津半導(dǎo)體器件四廠、XX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場效應(yīng)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(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€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(jié),因此根據(jù)PN結(jié)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(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(shí)測一只IRFPC50型VMOS管,RDS〔on=3.2W,大于0.58W〔典型值。

〔4．檢查跨導(dǎo)