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场效应管

来源：本站整理作者：佚名 2005-05-19 18:03:30

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场效应管（英缩写FET）是电压控制器件，它有输入电压来控制输出电流的变化。它具有输入阻抗高噪声低，动态范围大，温度系数低等优点，因而广泛应用于各种电子线路中。

一、场效应管的结构原理及特性

MOS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1015Ω）。它也分N沟道管和P沟道管，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电，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。

场效应管有结型和绝缘栅两种结构，每种结构又有N沟道和P沟道两种导电沟道。
1、结型场效应管（JFET）
（1）结构原理它的结构及符号见图1。在N型硅棒两端引出漏极D和源极S两个电极，又在硅棒的两侧各做一个P区，形成两个PN结。在P区引出电极并连接起来，称为栅极Go这样就构成了N型沟道的场效应管

图1、N沟道结构型场效应管的结构及符号

由于PN结中的载流子已经耗尽，故PN基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，从图1中可见，当漏极电源电压ED一定时，如果栅极电压越负，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，ID变大，所以用栅极电压EG可以控制漏极电流ID的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。
（2）特性曲线
1）转移特性
图2（a）给出了N沟道结型场效应管的栅压---漏流特性曲线，称为转移特性曲线，它和电子管的动态特性曲线非常相似，当栅极电压VGS=0时的漏源电流。用IDSS表示。VGS变负时，ID逐渐减小。ID接近于零的栅极电压称为夹断电压，用VP表示，在0≥VGS≥VP的区段内，ID与VGS的关系可近似表示为：
ID=IDSS（1-|VGS/VP|）
其跨导gm为：gm=（△ID/△VGS）|VDS=常微（微欧）|
式中：△ID------漏极电流增量（微安）
------△VGS-----栅源电压增量（伏）

图2、结型场效应管特性曲线

2）漏极特性（输出特性）
图2(b)给出了场效应管的漏极特性曲线，它和晶体三极管的输出特性曲线很相似。
①可变电阻区（图中I区）在I区里VDS比较小，沟通电阻随栅压VGS而改变，故称为可变电阻区。当栅压一定时，沟通电阻为定值，ID随VDS近似线性增大，当VGS＜VP时，漏源极间电阻很大（关断）。IP=0；当VGS=0时，漏源极间电阻很小（导通），ID=IDSS。这一特性使场效应管具有开关作用。
②恒流区（区中II区）当漏极电压VDS继续增大到VDS＞|VP|时，漏极电流，IP达到了饱和值后基本保持不变，这一区称为恒流区或饱和区，在这里，对于不同的VGS漏极特性曲线近似平行线，即ID与VGS成线性关系，故又称线性放大区。
③击穿区（图中Ⅲ区）如果VDS继续增加，以至超过了PN结所能承受的电压而被击穿，漏极电流ID突然增大，若不加限制措施，管子就会烧坏。
2、绝缘栅场效应管
它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属---氧化物---半导体场效应管，简称MOS场效应管。
（1）结构原理
它的结构、电极及符号见图3所示，以一块P型薄硅片作为衬底，在它上面扩散两个高杂质的N型区，作为源极S和漏极D。在硅片表覆盖一层绝缘物，然后再用金属铝引出一个电极G（栅极）由于栅极与其它电极绝缘，所以称为绝缘栅场面效应管。

图3、N沟道（耗尽型）绝缘栅场效应管结构及符号

在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。
场效应管的式作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型，当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。
（2）特性曲线
1）转移特性（栅压----漏流特性）
图4（a）给出了N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的转移行性曲线，图中Vp为夹断电压（栅源截止电压）；IDSS为饱和漏电流。
图4（b）给出了N沟道增强型绝缘栅场效管的转移特性曲线，图中Vr为开启电压，当栅极电压超过VT时，漏极电流才开始显著增加。
2）漏极特性（输出特性）
图5（a）给出了N沟道耗尽型绝缘栅场效应管的输出特性曲线。
图5(b)为N沟道增强型绝缘栅场效应管的输出特性曲线。

图4、N沟道MOS场效管的转移特性曲线

图5、N沟道MOS场效应管的输出特性曲线

此外还有N衬底P沟道（见图1）的场效应管，亦分为耗尽型号增强型两种，
各种场效应器件的分类，电压符号和主要伏安特性（转移特性、输出特性）

二、场效应管的主要参数

1、夹断电压VP
当VDS为某一固定数值，使IDS等于某一微小电流时，栅极上所加的偏压VGS就是夹断电压VP。
2、饱和漏电流IDSS
在源、栅极短路条件下，漏源间所加的电压大于VP时的漏极电流称为IDSS。
3、击穿电压BVDS
表示漏、源极间所能承受的最大电压，即漏极饱和电流开始上升进入击穿区时对应的VDS。
4、直流输入电阻RGS
在一定的栅源电压下，栅、源之间的直流电阻，这一特性有以流过栅极的电流来表示，结型场效应管的RGS可达1000000000欧而绝缘栅场效应管的RGS可超过10000000000000欧。
5、低频跨导gm
漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压微数变量之比，称为跨导，即
gm= △ID/△VGS

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）。

三、场效应管的检测方法
    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。下面介绍检测方法。

    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。

四、场效应管和晶体管的区别
     1、场效应晶体管具有较高输入阻抗和低噪声等优点，因而也被广泛应用于各种电子设备中。尤其用场效管做整个电子设备的输入级，可以获得一般晶体管很难达到的性能。
     2、场效应管分成结型和绝缘栅型两大类，其控制原理都是一样的。如图1-1-1是两种型号的表示符号：
     3、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.