场效应管的工作原理

场效应管的工作原理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 EffectTransistor （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（108〜109Q）、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nMOS场效应管、VMOS功率模块等5）笛号（和结构结魁场数应弩射结构和符号bl沟迪鴛P沟通管n¥UTZ层. n沟道 二二Y■7= :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曲沟结珂聪结掏MOS场玻应e旨讣莒_D仙談¥[<3混根］盹耗冬星F旳耗尽型衬底二、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， 3D06C是绝缘栅型N沟道场效应三极管第二种命名方法是CSXX#，CS代表场效应管，XX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 —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 BUDS6、 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型号J^EIMTEWmAVSn mA/ VJinMHtJDJ2DIM；O35-4300O7EKH)<1 :-J(.Kib- ■ ] 1.工1-553DO2Eltm0.35- i.2'■121000:肿]心1 IMI BAI MU1(")V4UAIIAIIMBMIIAB IAImH IMI MU IMBMI VM IMBMI M1 jn L-.*J LV. L*.-J ■ .*J LV.'.'J LV. W L-J L*.*. L-.'J h.uu iaiimi nm iab X>2LBAI IMI MU IMUAI M ■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RXlk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KQ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RX100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 极间短路一下即可六、常用场效用管1、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 1015Q）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3D01、3D02、3D04 （以上均为单栅管）， 4DO1 （双栅管）。

它们的管脚排列（底视图）见图2MOS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MOS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RX100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Gl、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MOS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。