場效應管

場效應管

場效應電晶體(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。主要有兩種類型:結型場效應管(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場效應管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。由多數載流子參與導電,也稱為單極型電晶體。它屬於電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動態範圍大、易於集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點,現已成為雙極型電晶體功率電晶體的強大競爭者。

場效應管(FET)是利用控制輸入迴路的電場效應來控制輸出迴路電流的一種半導體器件,並以此命名。

由於它僅靠半導體中的多數載流子導電,又稱單極型電晶體

FET 英文為Field Effect Transistor,簡寫成FET。

基本介紹

  • 中文名:場效應管
  • 外文名:Field Effect Transistor
  • 別稱:場效應電晶體或者mos管
  • 表達式:FET
  • 套用學科:物理
  • 適用領域範圍:電學
特點,工作原理,分類,作用,常見的場效應管,使用優勢,對比,型號命名,主要參數,直流參數,交流參數,極限參數,測量方法,測試方法,產品特性,電氣特性,參數符號,注意事項,套用領域,類型,場效應管與電晶體的比較,引申信息,歷史,電極,組成,

特點

雙極型電晶體相比,場效應管具有如下特點。
場效應管場效應管
(1)場效應管是電壓控制器件,它通過VGS(柵源電壓)來控制ID(漏極電流);
(2)場效應管的控制輸入端電流極小,因此它的輸入電阻(107~1012Ω)很大。
(3)它是利用多數載流子導電,因此它的溫度穩定性較好;
(4)它組成的放大電路的電壓放大係數要小於三極體組成放大電路的電壓放大係數;
(5)場效應管的抗輻射能力強;
(6)由於它不存在雜亂運動的電子擴散引起的散粒噪聲,所以噪聲低。

工作原理

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ID,用以柵極與溝道間的pn結形成的反偏的柵極電壓控制ID”。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,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ID流動。從門極向漏極擴展的過度層將溝道的一部分構成堵塞型,ID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。因漂移電場的強度幾乎不變產生ID的飽和現象。其次,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。
MOS場效應管電源開關電路
MOS場效應管也被稱為金屬氧化物半導體場效應管(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET)。它一般有耗盡型和增強型兩種。增強型MOS場效應管可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型也叫P溝道型。對於N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上,同樣對於P溝道的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。場效應管的輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制,可以認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管的原因。
在二極體加上正向電壓(P端接正極,N端接負極)時,二極體導通,其PN結有電流通過。這是因為在P型半導體端為正電壓時,N型半導體內的負電子被吸引而湧向加有正電壓的P型半導體端,而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動,從而形成導通電流。同理,當二極體加上反向電壓(P端接負極,N端接正極)時,這時在P型半導體端為負電壓,正電子被聚集在P型半導體端,負電子則聚集在N型半導體端,電子不移動,其PN結沒有電流通過,二極體截止。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,此時場效應管處與截止狀態(圖7a)。當有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應管柵極上時,由於電場的作用,此時N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而湧向柵極,但由於氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體中(見圖7b),從而形成電流,使源極和漏極之間導通。可以想像為兩個N型半導體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當於為它們之間搭了一座橋樑,該橋的大小由柵壓的大小決定。
C-MOS場效應管(增強型MOS場效應管)
電路將一個增強型P溝道MOS場效應管和一個增強型N溝道MOS場效應管組合在一起使用。當輸入端為低電平時,P溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時,N溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應管和N溝道MOS場效應管總是在相反的狀態下工作,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。同時由於漏電流的影響,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小於1到2V時,MOS場效應管既被關斷。不同場效應管其關斷電壓略有不同。也正因為如此,使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路。

分類

場效應管分為結型場效應管(JFET)絕緣柵場效應管(MOS管)兩大類。
按溝道材料型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種;按導電方式: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。
場效應電晶體可分為結場效應電晶體和MOS場效應電晶體,而MOS場效應電晶體又分為N溝耗盡型和增強型;P溝耗盡型和增強型四大類。
結型場效應管(JFET)
1、結型場效應管的分類:結型場效應管有兩種結構形式,它們是N溝道結型場效應管和P溝道結型場效應管。
結型場效應管也具有三個電極,它們是:柵極;漏極;源極。
電路符號中柵極的箭頭方向可理解為兩個PN結的正嚮導電方向。
場效應管場效應管
2、結型場效應管的工作原理(以N溝道結型場效應管為例),N溝道結構型場效應管的結構及符號,由於PN結中的載流子已經耗盡,故PN基本上是不導電的,形成了所謂耗盡區,當漏極電源電壓ED一定時,如果柵極電壓越負,PN結交界面所形成的耗盡區就越厚,則漏、源極之間導電的溝道越窄,漏極電流ID就愈小;反之,如果柵極電壓沒有那么負,則溝道變寬,ID變大,所以用柵極電壓EG可以控制漏極電流ID的變化,就是說,場效應管是電壓控制元件。
絕緣柵場效應管
1、絕緣柵場效應管(MOS管)的分類:絕緣柵場效應管也有兩種結構形式,它們是N溝道型和P溝道型。無論是什麼溝道,它們又分為增強型和耗盡型兩種。
2、它是由金屬、氧化物和半導體所組成,所以又稱為金屬—氧化物—半導體場效應管,簡稱MOS場效應管。
3、絕緣柵型場效應管的工作原理(以N溝道增強型MOS場效應管為例)它是利用UGS來控制“感應電荷”的多少,以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況,然後達到控制漏極電流的目的。在製造管子時,通過工藝使絕緣層中出現大量正離子,故在交界面的另一側能感應出較多的負電荷,這些負電荷把高滲雜質的N區接通,形成了導電溝道,即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時,溝道內被感應的電荷量也改變,導電溝道的寬窄也隨之而變,因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。
場效應管的工作方式有兩種:當柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗盡型;當柵壓為零,漏極電流也為零,必須再加一定的柵壓之後才有漏極電流的稱為增強型。

作用

1.場效應管可套用於放大。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

常見的場效應管

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矽絕緣層,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。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後,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型矽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。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。
MOS場效應管MOS場效應管
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電晶體之優點集於一身,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套用。
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片上,其工作電流基本上是沿水平方向流動。VMOS管則不同,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。由於漏極是從晶片的背面引出,所以ID不是沿晶片水平流動,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。因為流通截面積增大,所以能通過大電流。由於在柵極與晶片之間有二氧化矽絕緣層,因此它仍屬於絕緣柵型MOS場效應管。

使用優勢

場效應管是電壓控制元件,而電晶體是電流控制元件。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,應選用電晶體。場效應管是利用多數載流子導電,所以稱之為單極型器件,而電晶體是既有多數載流子,也利用少數載流子導電,被稱之為雙極型器件。
VMOS場效應管VMOS場效應管
場效應管場效應管
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,靈活性比三極體好。
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積體電路中得到了廣泛的套用。

對比

場效應管與三極體的各自套用特點
1.場效應管的源極s、柵極g、漏極d分別對應於三極體的發射極e、基極b、集電極c,它們的作用相似。
2.場效應管是電壓控制電流器件,由vGS控制iD,其放大係數gm一般較小,因此場效應管的放大能力較差;三極體是電流控制電流器件,由iB(或iE)控制iC。
3.場效應管柵極幾乎不取電流(ig»0);而三極體工作時基極總要吸取一定的電流。因此場效應管的柵極輸入電阻比三極體的輸入電阻高。
場效應管場效應管
4.場效應管是由多子參與導電;三極體有多子和少子兩種載流子參與導電,而少子濃度受溫度、輻射等因素影響較大,因而場效應管比電晶體的溫度穩定性好、抗輻射能力強。在環境條件(溫度等)變化很大的情況下應選用場效應管。
5.場效應管在源極金屬與襯底連在一起時,源極漏極可以互換使用,且特性變化不大;而三極體的集電極與發射極互換使用時,其特性差異很大,β值將減小很多。
6.場效應管的噪聲係數很小,在低噪聲放大電路的輸入級及要求信噪比較高的電路中要選用場效應管。
7.場效應管和三極體均可組成各种放大電路和開關電路,但由於前者製造工藝簡單,且具有耗電少,熱穩定性好,工作電源電壓範圍寬等優點,因而被廣泛用於大規模和超大規模積體電路中。
8.三極體導通電阻大,場效應管導通電阻小,只有幾百毫歐姆,在現用電器件上,一般都用場效應管做開關來用,他的效率是比較高的。
場效應管與雙極性電晶體的比較
  1. 場效應管是電壓控制器件,柵極基本不取電流,而電晶體是電流控制器件,基極必須取一定的電流。因此,在信號源額定電流極小的情況,應選用場效應管。
  2. 場效應管是多子導電,而電晶體的兩種載流子均參與導電。由於少子的濃度對溫度、輻射等外界條件很敏感,因此,對於環境變化較大的場合,採用場效應管比較合適。
  3. 場效應管除了和電晶體一樣可作為放大器件及可控開關外,還可作壓控可變線性電阻使用。
  4. 場效應管的源極和漏極在結構上是對稱的,可以互換使用,耗盡型MOS管的柵——源電壓可正可負。因此,使用場效應管比電晶體靈活。

型號命名

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型矽,反型層是N溝道;C是N型矽P溝道。例如,3DJ6D是結型P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。

主要參數

直流參數

飽和漏極電流IDSS它可定義為:當柵、源極之間的電壓等於零,而漏、源極之間的電壓大於夾斷電壓時,對應的漏極電流。
場效應管場效應管
夾斷電壓UP它可定義為:當UDS一定時,使ID減小到一個微小的電流時所需的UGS。
開啟電壓UT它可定義為:當UDS一定時,使ID到達某一個數值時所需的UGS。

交流參數

交流參數可分為輸出電阻低頻互導2個參數,輸出電阻一般在幾十千歐到幾百千歐之間,而低頻互導一般在十分之幾至幾毫西的範圍內,特殊的可達100mS,甚至更高。
低頻跨導gm它是描述柵、源電壓對漏極電流的控制作用。
極間電容場效應管三個電極之間的電容,它的值越小表示管子的性能越好。

極限參數

①最大漏極電流是指管子正常工作時漏極電流允許的上限值,
②最大耗散功率是指在管子中的功率,受到管子最高工作溫度的限制,
③最大漏源電壓是指發生在雪崩擊穿、漏極電流開始急劇上升時的電壓,
④最大柵源電壓是指柵源間反向電流開始急劇增加時的電壓值。
除以上參數外,還有極間電容高頻參數等其他參數。
漏、源擊穿電壓當漏極電流急劇上升時,產生雪崩擊穿時的UDS。
柵極擊穿電壓結型場效應管正常工作時,柵、源極之間的PN結處於反向偏置狀態,若電流過高,則產生擊穿現象。
使用時主要關注的參數有:
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UGS=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並留有一定餘量。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。

測量方法

電阻法測電極
根據場效應管的PN結正、反向電阻值不一樣的現象,可以判別出結型場效應管的三個
電極。具體方法:將萬用表撥在R×1k檔上,任選兩個電極,分別測出其正、反向電阻值。當某兩個電極的正、反向電阻值相等,且為幾千歐姆時,則該兩個電極分別是漏極D和源極S。因為對結型場效應管而言,漏極和源極可互換,剩下的電極肯定是柵極G。也可以將萬用表的黑表筆(紅表筆也行)任意接觸一個電極,另一隻表筆依次去接觸其餘的兩個電極,測其電阻值。當出現兩次測得的電阻值近似相等時,則黑表筆所接觸的電極為柵極,其餘兩電極分別為漏極和源極。若兩次測出的電阻值均很大,說明是PN結的反向,即都是反向電阻,可以判定是P溝道場效應管,且黑表筆接的是柵極;若兩次測出的電阻值均很小,說明是正向PN結,即是正向電阻,判定為N溝道場效應管,黑表筆接的也是柵極。若不出現上述情況,可以調換黑、紅表筆按上述方法進行測試,直到判別出柵極為止。
場效應管場效應管
電阻法測好壞
測電阻法是用萬用表測量場效應管的源極與漏極、柵極與源極、柵極與漏極、柵極G1與柵極G2之間的電阻值同場效應管手冊標明的電阻值是否相符去判別管的好壞。具體方法:首先將萬用表置於R×10或R×100檔,測量源極S與漏極D之間的電阻,通常在幾十歐到幾千歐範圍(在手冊中可知,各種不同型號的管,其電阻值是各不相同的),如果測得阻值大於正常值,可能是由於內部接觸不良;如果測得阻值是無窮大,可能是內部斷極。然後把萬用表置於R×10k檔,再測柵極G1與G2之間、柵極與源極、柵極與漏極之間的電阻值,當測得其各項電阻值均為無窮大,則說明管是正常的;若測得上述各阻值太小或為通路,則說明管是壞的。要注意,若兩個柵極在管內斷極,可用元件代換法進行檢測。
測放大能力
用感應信號法具體方法:用萬用表電阻的R×100檔,紅表筆接源極S,黑表筆接漏極D,給場效應管加上1.5V的電源電壓,此時錶針指示出的漏源極間的電阻值。然後用手捏住結型場效應管的柵極G,將人體的感應電壓信號加到柵極上。這樣,由於管的放大作用,漏源電壓VDS和漏極電流Ib都要發生變化,也就是漏源極間電阻發生了變化,由此可以觀察到錶針有較大幅度的擺動。如果手捏柵極錶針擺動較小,說明管的放大能力較差;錶針擺動較大,表明管的放大能力大;若錶針不動,說明管是壞的。
根據上述方法,用萬用表的R×100檔,測結型場效應管3DJ2F。先將管的G極開路,測得漏源電阻RDS為600Ω,用手捏住G極後,錶針向左擺動,指示的電阻RDS為12kΩ,錶針擺動的幅度較大,說明該管是好的,並有較大的放大能力。
場效應管場效應管
運用這種方法時要說明幾點:首先,在測試場效應管用手捏住柵極時,萬用錶針可能向右擺動(電阻值減小),也可能向左擺動(電阻值增加)。這是由於人體感應的交流電壓較高,而不同的場效應管用電阻檔測量時的工作點可能不同(或者工作在飽和區或者在不飽和區)所致,試驗表明,多數管的RDS增大,即錶針向左擺動;少數管的RDS減小,使錶針向右擺動。但無論錶針擺動方向如何,只要錶針擺動幅度較大,就說明管有較大的放大能力。第二,此方法對MOS場效應管也適用。但要注意,MOS場效應管的輸人電阻高,柵極G允許的感應電壓不應過高,所以不要直接用手去捏柵極,必須用於握螺絲刀的絕緣柄,用金屬桿去碰觸柵極,以防止人體感應電荷直接加到柵極,引起柵極擊穿。第三,每次測量完畢,應當G-S極間短路一下。這是因為G-S結電容上會充有少量電荷,建立起VGS電壓,造成再進行測量時錶針可能不動,只有將G-S極間電荷短路放掉才行。
無標示管的判別
首先用測量電阻的方法找出兩個有電阻值的管腳,也就是源極S和漏極D,餘下
兩個腳為第一柵極G1和第二柵極G2。把先用兩表筆測的源極S與漏極D之間的電阻值記下來,對調錶筆再測量一次,把其測得電阻值記下來,兩次測得阻值較大的一次,黑表筆所接的電極為漏極D;紅表筆所接的為源極S。用這種方法判別出來的S、D極,還可以用估測其管的放大能力的方法進行驗證,即放大能力大的黑表筆所接的是D極;紅表筆所接地是S極,兩種方法檢測結果均應一樣。當確定了漏極D、源極S的位置後,按D、S的對應位置裝人電路,一般G1、G2也會依次對準位置,這就確定了兩個柵極G1、G2的位置,從而就確定了D、S、G1、G2管腳的順序。
場效應管場效應管
判斷跨導的大小
測反向電阻值的變化判斷跨導的大小.對VMOSV溝道增強型場效應管測量跨導性能時,可用紅表筆接源極S、黑表筆接漏極D,這就相當於在源、漏極之間加了一個反向電壓。此時柵極是開路的,管的反向電阻值是很不穩定的。將萬用表的歐姆檔選在R×10kΩ的高阻檔,此時表內電壓較高。當用手接觸柵極G時,會發現管的反向電阻值有明顯地變化,其變化越大,說明管的跨導值越高;如果被測管的跨導很小,用此法測時,反向阻值變化不大。

測試方法

結型場管腳識別
場效應管的柵極相當於電晶體的基極,源極和漏極分別對應於電晶體的發射極和集電極。將萬用表置於R×1k檔,用兩表筆分別測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當某兩個管腳間的正、反向電阻相等,均為數KΩ時,則這兩個管腳為漏極D和源極S(可互換),餘下的一個管腳即為柵極G。對於有4個管腳的結型場效應管,另外一極是禁止極(使用中接地)。
場效應管場效應管
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大,說明均是反向電阻,該管屬於N溝道場效應管,黑表筆接的也是柵極。製造工藝決定了場效應管的源極和漏極是對稱的,可以互換使用,並不影響電路的正常工作,所以不必加以區分。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管的柵極。因為這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。
估測放大能力
將萬用表撥到R×100檔,紅表筆接源極S,黑表筆接漏極D,相當於給場效應管加上1.5V的電源電壓。這時錶針指示出的是D-S極間電阻值。然後用手指捏柵極G,將人體的感應電壓作為輸入信號加到柵極上。由於管子的放大作用,UDS和ID都將發生變化,也相當於D-S極間電阻發生變化,可觀察到錶針有較大幅度的擺動。如果手捏柵極時錶針擺動很小,說明管子的放大能力較弱;若錶針不動,說明管子已經損壞。由於人體感應的50Hz交流電壓較高,而不同的場效應管用電阻檔測量時的工作點可能不同,因此用手捏柵極時錶針可能向右擺動,也可能向左擺動。少數的管子RDS減小,使錶針向右擺動,多數管子的RDS增大,錶針向左擺動。無論錶針的擺動方向如何,只要能有明顯地擺動,就說明管子具有放大能力。
場效應管場效應管
本方法也適用於測MOS管。為了保護MOS場效應管,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結電容上會充有少量電荷,建立起電壓UGS,再接著測時錶針可能不動,此時將G-S極間短路一下即可。

產品特性

(1)轉移特性:柵極電壓對漏極電流的控制作用稱為轉移特性。
(2)輸出特性: UDS與ID的關係稱為輸出特性。
(3)結型場效應管的放大作用:結型場效應管的放大作用一般指的是電壓放大作用。

電氣特性

場效應管與電晶體在電氣特性方面的主要區別有以下幾點:
貼片場效應管
1:場效應管是電壓控制器件,管子的導電情況取決於柵極電壓的高低。電晶體是電流控制器件,管子的導電情況取決於基極電流的大小。 2:場效應管漏源靜態伏安特性以柵極電壓UGS為參變數,電晶體輸出特性曲線以基極電流Ib 為參變數。
場效應管場效應管
3:場效應管電流IDS與柵極UGS之間的關係由跨導Gm 決定,電晶體電流Ic與Ib 之間的關係由放大係數β決定。也就是說,場效應管的放大能力用Gm 衡量,電晶體的放大能力用β衡量。
4:場效應管的輸入阻抗很大,輸入電流極小;電晶體輸入阻抗很小,在導電時輸入電流較大。
5:一般場效應管功率較小,電晶體功率較大。

參數符號

Cds---漏-源電容
Cdu---漏-襯底電容
Cgd---柵-漏電容
Cgs---柵-源電容
Ciss---柵短路共源輸入電容
Coss---柵短路共源輸出電容
Crss---柵短路共源反向傳輸電容
D---占空比(占空係數,外電路參數)
di/dt---電流上升率(外電路參數)
dv/dt---電壓上升率(外電路參數)
ID---漏極電流(直流)
IDM---漏極脈衝電流
ID(on)---通態漏極電流
IDQ---靜態漏極電流(射頻功率管)
IDS---漏源電流
IDSM---最大漏源電流
IDSS---柵-源短路時,漏極電流
IDS(sat)---溝道飽和電流(漏源飽和電流)
IG---柵極電流(直流)
IGF---正向柵電流
IGR---反向柵電流
IGDO---源極開路時,截止柵電流
IGSO---漏極開路時,截止柵電流
IGM---柵極脈衝電流
IGP---柵極峰值電流
IF---二極體正向電流
IGSS---漏極短路時截止柵電流
IDSS1---對管第一管漏源飽和電流
IDSS2---對管第二管漏源飽和電流
Iu---襯底電流
Ipr---電流脈衝峰值(外電路參數)
gfs---正向跨導
Gp---功率增益
Gps---共源極中和高頻功率增益
GpG---共柵極中和高頻功率增益
GPD---共漏極中和高頻功率增益
ggd---柵漏電導
gds---漏源電導
K---失調電壓溫度係數
Ku---傳輸係數
L---負載電感(外電路參數)
LD---漏極電感
Ls---源極電感
rDS---漏源電阻
rDS(on)---漏源通態電阻
rDS(of)---漏源斷態電阻
rGD---柵漏電阻
rGS---柵源電阻
Rg---柵極外接電阻(外電路參數)
RL---負載電阻(外電路參數)
R(th)jc---結殼熱阻
R(th)ja---結環熱阻
PD---漏極耗散功率
PDM---漏極最大允許耗散功率
PIN--輸入功率
POUT---輸出功率
PPK---脈衝功率峰值(外電路參數)
to(on)---開通延遲時間
td(off)---關斷延遲時間
ti---上升時間
ton---開通時間
toff---關斷時間
tf---下降時間
trr---反向恢復時間
Tj---結溫
Tjm---最大允許結溫
Ta---環境溫度
Tc---管殼溫度
Tstg---貯成溫度
VDS---漏源電壓(直流)
VGS---柵源電壓(直流)
VGSF--正向柵源電壓(直流)
VGSR---反向柵源電壓(直流)
VDD---漏極(直流)電源電壓(外電路參數)
VGG---柵極(直流)電源電壓(外電路參數)
Vss---源極(直流)電源電壓(外電路參數)
VGS(th)---開啟電壓或閥電壓
V(BR)DSS---漏源擊穿電壓
V(BR)GSS---漏源短路時柵源擊穿電壓
VDS(on)---漏源通態電壓
VDS(sat)---漏源飽和電壓
VGD---柵漏電壓(直流)
Vsu---源襯底電壓(直流)
VDu---漏襯底電壓(直流)
VGu---柵襯底電壓(直流)
Zo---驅動源內阻
η---漏極效率(射頻功率管)
Vn---噪聲電壓
aID---漏極電流溫度係數
ards---漏源電阻溫度係數

注意事項

(1)為了安全使用場效應管,線上路的設計中不能超過管的耗散功率,最大漏源電壓、最大柵源電壓和最大電流等參數的極限值。
(2)各類型場效應管在使用時,都要嚴格按要求的偏置接入電路中,要遵守場效應管偏置的極性。如結型場效應管柵源漏之間是PN結,N溝道管柵極不能加正偏壓;P溝道管柵極不能加負偏
壓,等等。(3)MOS場效應管由於輸入阻抗極高,所以在運輸、貯藏中必須將引出腳短路,要用金屬禁止包裝,以防止外來感應電勢將柵極擊穿。尤其要注意,不能將MOS場效應管放入塑膠盒子內,保存時最好放在金屬盒內,同時也要注意管的防潮。
場效應管場效應管
(4)為了防止場效應管柵極感應擊穿,要求一切測試儀器、工作檯、電烙鐵、線路本身都必須有良好的接地;管腳在焊接時,先焊源極;在連入電路之前,管的全部引線端保持互相短接狀態,焊接完後才把短接材料去掉;從元器件架上取下管時,應以適當的方式確保人體接地如採用接地環等;當然,如果能採用先進的氣熱型電烙鐵,焊接場效應管是比較方便的,並且確保全全;在未關斷電源時,絕對不可以把管插人電路或從電路中拔出。以上安全措施在使用場效應管時必須注意。
(5)在安裝場效應管時,注意安裝的位置要儘量避免靠近發熱元件;為了防管件振動,有必要將管殼體緊固起來;管腳引線在彎曲時,應當大於根部尺寸5毫米處進行,以防止彎斷管腳和引起漏氣等。
(6)使用VMOS管時必須加合適的散熱器後。以VNF306為例,該管子加裝140×140×4(mm)的散熱器後,最大功率才能達到30W。
(7)多管並聯後,由於極間電容和分布電容相應增加,使放大器的高頻特性變壞,通過反饋容易引起放大器的高頻寄生振盪。為此,並聯複合管管子一般不超過4個,而且在每管基極或柵極上串接防寄生振盪電阻。
(8)結型場效應管的柵源電壓不能接反,可以在開路狀態下保存,而絕緣柵型場效應管在不使用時,由於它的輸入電阻非常高,須將各電極短路,以免外電場作用而使管子損壞。
(9)焊接時,電烙鐵外殼必須裝有外接地線,以防止由於電烙鐵帶電而損壞管子。對於少量焊接,也可以將電烙鐵燒熱後拔下插頭或切斷電源後焊接。特別在焊接絕緣柵場效應管時,要按源極-漏極-柵極的先後順序焊接,並且要斷電焊接。
場效應管場效應管
(10)用25W電烙鐵焊接時應迅速,若用45~75W電烙鐵焊接,套用鑷子夾住管腳根部以幫助散熱。結型場效應管可用表電阻檔定性地檢查管子的質量(檢查各PN結的正反向電阻及漏源之間的電阻值),而絕緣柵場效管不能用萬用表檢查,必須用測試儀,而且要在接入測試儀後才能去掉各電極短路線。取下時,則應先短路再取下,關鍵在於避免柵極懸空。
在要求輸入阻抗較高的場合使用時,必須採取防潮措施,以免由於溫度影響使場效應管的輸入電阻降低。如果用四引線的場效應管,其襯底引線應接地。陶瓷封裝的芝麻管有光敏特性,應注意避光使用。
對於功率型場效應管,要有良好的散熱條件。因為功率型場效應管在高負荷條件下運用,必須設計足夠的散熱器,確保殼體溫度不超過額定值,使器件長期穩定可靠地工作。
總之,確保場效應管安全使用,要注意的事項是多種多樣,採取的安全措施也是各種各樣,廣大的專業技術人員,特別是廣大的電子愛好者,都要根據自己的實際情況出發,採取切實可行的辦法,安全有效地用好場效應管。

套用領域

場效應管(fet)是電場效應控制電流大小的單極型半導體器件。在其輸入端基本不取電流或電流極小,具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩定性好、製造工藝簡單等特點,在大規模和超大規模積體電路中被套用。
場效應器件憑藉其低功耗性能穩定、抗輻射能力強等優勢,在積體電路中已經有逐漸取代三極體的趨勢。但它還是非常嬌貴的,雖然多數已經內置了保護二極體,但稍不注意,也會損壞。所以在套用中還是小心為妙。

類型

標準電壓下的耗盡型場效應管。從左到右依次依次為:結型場效應管,多晶矽金屬—氧化物—半導體場效應管,雙柵極金屬—氧化物—半導體場效應管,金屬柵極金屬—氧化物—半導體場效應管,金屬半導體場效應管。 耗盡層 , 電子 , 空穴 ,金屬,絕緣體. 上方:源極,下方:漏極,左方:柵極,右方:主體。電壓導致溝道形成的細節沒有畫出
場效應管
摻雜FET(解釋如下)的溝道用來製造N型半導體或P型半導體。在耗盡模式的FET下,漏和源可能被摻雜成不同類型至溝道。或者在提高模式下的FET,它們可能被摻雜成相似類型。場效應電晶體根據絕緣溝道和柵的不同方法而區分。FET的類型有:
DEPFET(Depleted FET)是一種在完全耗盡基底上製造,同時用為一個感應器放大器和記憶極的FET。它可以用作圖像(光子)感應器。
DGMOFET(Dual-gate MOSFET)是一種有兩個柵極的MOSFET。
DNAFET是一種用作生物感應器的特殊FET,它通過用單鏈DNA分子製成的柵極去檢測相配的DNA鏈。
FREDFET(Fast Recovery Epitaxial Diode FET)是一種用於提供非常快的重啟(關閉)體二極體的特殊FET。
HEMT(高電子遷移率電晶體,High Electron Mobility Transistor),也被稱為HFET(異質結場效應電晶體,heterostructure FET),是運用帶隙工程在三重半導體例如AlGaAs中製造的。完全耗盡寬頻隙造成了柵極和體之間的絕緣。
IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor)是一種用於電力控制的器件。它和類雙極主導電溝道的MOSFET的結構類似。它們一般用於漏源電壓範圍在200-3000伏的運行。功率MOSFET仍然被選擇為漏源電壓在1到200伏時的器件.
ISFET是離子敏感的場效應電晶體(Ion-Sensitive Field Effect Transistor),它用來測量溶液中的離子濃度。當離子濃度(例如pH值)改變,通過電晶體的電流將相應的改變。
JFET用相反偏置的p-n結去分開柵極和體。
MESFET(Metal-Semiconductor FET)用一個肖特基勢壘替代了JFET的PN結;它用於GaAs和其它的三五族半導體材料。
MODFET(Modulation-Doped FET)用了一個由篩選過的活躍區摻雜組成的量子阱結構。
MOSFET用一個絕緣體(通常是二氧化矽)於柵和體之間。
NOMFET是納米粒子有機記憶場效應電晶體(Nanoparticle Organic Memory FET)。
OFET是有機場效應電晶體(Organic FET),它在它的溝道中用有機半導體

場效應管與電晶體的比較

(1)場效應管是電壓控制元件,而電晶體是電流控制元件。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,應選用電晶體。
(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,而電晶體是即有多數載流子,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,靈活性比電晶體好。
(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積體電路中得到了廣泛的套用。

引申信息

歷史

場效應電晶體於1925年由Julius Edgar Lilienfeld和於1934年由Oskar Heil分別發明,但是實用的器件一直到1952年才被製造出來(結型場效應管,Junction-FET,JFET)。1960年Dawan Kahng發明了金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor, MOSFET),從而大部分代替了JFET,對電子行業的發展有著深遠的意義。

電極

所有的FET都有柵極(gate)、漏極(drain)、源極(source)三個端,分別大致對應BJT的基極(base)、集電極(collector)和發射極(emitter)。除JFET以外,所有的FET也有第四端,被稱為體(body)、基(base)、塊體(bulk)或襯底(substrate)。這個第四端可以將電晶體調製至運行;在電路設計中,很少讓體端發揮大的作用,但是當物理設計一個積體電路的時候,它的存在就是重要的。在圖中柵極的長度(length)L,是指源和漏的距離。寬度(width)是指電晶體的範圍,在圖中和橫截面垂直。通常情況下寬度比長度大得多。長度1微米的柵極限制最高頻率約為5GHz,0.2微米則是約30GHz。
這些端的名稱和它們的功能有關。柵極可以被認為是控制一個物理柵的開關。這個柵極可以通過製造或者消除源極和漏極之間的溝道,從而允許或者阻礙電子流過。如果受一個加上的電壓影響,電子流將從源極流向漏極。體很簡單的就是指柵、漏、源極所在的半導體的塊體。通常體端和一個電路中最高或最低的電壓相連,根據類型不同而不同。體端和源極有時連在一起,因為有時源也連在電路中最高或最低的電壓上。當然有時一些電路中FET並沒有這樣的結構,比如級聯傳輸電路和串疊式電路。

組成

FET由各種半導體構成,目前是最常見的。大部分的FET是由傳統塊體半導體製造技術製造,使用單晶半導體矽片作為反應區,或者溝道。
大部分的不常見體材料,主要有非晶矽多晶矽或其它在薄膜電晶體中,或者有機場效應電晶體中的非晶半導體。有機場效應電晶體基於有機半導體,常常用有機柵絕緣體和電極。

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