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場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理圖文詳解

場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。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(duì)于N溝道的場(chǎng)效應(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對(duì)于P溝道的場(chǎng)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(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場(chǎng)）控制，可以認(rèn)為輸入電流極小或沒(méi)有輸入電流，這使得該器件有很高的輸入阻抗，同時(shí)這也是我們稱之為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。

圖1

為解釋MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理圖，我們先了解一下僅含有一個(gè)P—N結(jié)的二極管的工作過(guò)程。如圖2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(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過(guò)。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，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(dòng)，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(shí)，這時(shí)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(dòng)，其PN結(jié)沒(méi)有電流通過(guò)，二極管截止。

圖2

對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管，在柵極沒(méi)有電壓時(shí)，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過(guò)，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道MOS。

下面簡(jiǎn)述一下用C-MOS場(chǎng)效應(yīng)管（增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管）組成的應(yīng)用電路的工作過(guò)程，就愛(ài)見(jiàn)圖3。電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)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(shí)，N溝道MOS場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管和N溝道MOS場(chǎng)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(guò)這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。

圖3

同時(shí)由于漏電流的影響，使得柵壓在還沒(méi)有到0V，通常在柵極電壓小于1到2V時(shí)，MOS場(chǎng)效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱耍沟迷撾娐凡粫?huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。

圖4

由以上分析我們可以畫(huà)出原理圖中MOS場(chǎng)效應(yīng)管電路部分的工作過(guò)程（見(jiàn)圖4）。工作原理同前所述。

主要參數(shù)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管的參數(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(shí)只需要關(guān)注以下幾項(xiàng)主要參數(shù)。

①夾斷電壓（UP）。這是指在規(guī)定的漏極電壓UDS下，使漏極電流/D（即溝道電流）為零或者小于某一小電流值（例如1μA. 10μA）時(shí)，加在柵極上的電壓UGS它是結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的重要參數(shù)。

②開(kāi)啟電壓(UT)。這是指當(dāng)漏極電壓UDS為某一規(guī)定值時(shí)，使導(dǎo)電溝道（即漏、源極之間）剛開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓UGS它是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的重要參數(shù)。當(dāng)柵極電壓UGS小于開(kāi)啟電壓坼的絕對(duì)值時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管不能導(dǎo)通。：

③飽和漏電流(/DSS)。這是指當(dāng)柵、源極短路(UGS=0)時(shí)，一定的漏極電壓UDS（大于夾斷電壓）所引起的漏極電流/D飽和漏電流反映了零柵壓時(shí)原始溝道的導(dǎo)電能力，是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的重要參數(shù)。

④低頻跨導(dǎo)(gm)，在漏極電壓UDS為規(guī)定值時(shí)，漏極電流變化量△/D與引起這個(gè)變化的柵壓變化量△UGS的比值，叫跨導(dǎo)（或互導(dǎo)），即gm=△/D/△UGS。gm的常用單位是mS（毫西門子）gm是衡量場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極電壓對(duì)漏極電流控制能力強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù)，也是衡量放大作用的重要參數(shù)，與晶體三極管的交流電流放大系數(shù)β相似。gm與管子的工作區(qū)域有關(guān)，漏極電流/D越大，管子的跨導(dǎo)gm也越大。

⑤漏源擊穿電壓（BUDS）。這是指柵極電壓UGS一定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管正常工作所能承受的最大漏極電壓，它相當(dāng)于普通晶體三極管的集電極一發(fā)射極擊穿電壓V(BR)ceo（即BUceo）。這是一項(xiàng)極限參數(shù)，使用時(shí)加在場(chǎng)效應(yīng)晶體管上的工作電壓必須小于BUDS。

⑥最大漏源電流( /DSM)。這是指場(chǎng)效應(yīng)晶體管正常工作時(shí)，漏、源極之間所允許通過(guò)的最大電流，它相當(dāng)于普通晶體三極管的/CM場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作電流不應(yīng)超過(guò)這一極限參數(shù)。

⑦最大耗散功率(PDSM)。這是指場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能不變壞時(shí)，所允許的最大漏極耗散功率，它相當(dāng)于普通三極管的Pcm。使用時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)際功耗（PD=UDS×/D）應(yīng)小于這一極限參數(shù)，并留有一定余量。

引腳識(shí)別

對(duì)于下圖(a)所示的金屬管帽封裝的三引腳圓柱狀場(chǎng)效應(yīng)管，其管帽下有一個(gè)小凸口，把引腳對(duì)著自己，從凸口開(kāi)始沿順時(shí)針?lè)较驍?shù)，如果是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，依次為源極S、漏極D和柵極G；如果是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，則依次為D、G和S腳。對(duì)于塑料封裝的半圓柱狀結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，其3個(gè)引線腳呈“一字形”排列，面對(duì)標(biāo)有型號(hào)的一面，從左到右依次為S、D、G腳。對(duì)于下圖(b)所示的金屬管帽封裝的四引腳絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，其增加的第4引腳有兩種可能，如果是普通增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，則該腳為“襯底”引腳；如果是雙柵MOS管，則該腳為第二柵極引腳。

對(duì)于有4個(gè)引腳的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其增加的第4腳一般是屏蔽極（使用中接地）。對(duì)于大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，將管子有字面朝自己、引腳朝下，從左至右其引腳排列順序基本上都是“G、D、S”，并且散熱片接通D極。，當(dāng)遇到型號(hào)、封裝和引腳排列不熟悉的場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，就要查閱有關(guān)資料或用萬(wàn)用表檢測(cè)辨認(rèn)后再接入電路。

電路符號(hào)

其中結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)中，豎直線表示能導(dǎo)電的溝道，豎直線頂部的一條直角線表示漏極D，豎直線底部的一條直角線表示源極S，豎直線左面帶箭頭的直線表示柵極G。同普通晶體三極管一樣，箭頭指向表示從P型指向N型材料，從箭頭指向就可以知道是哪種溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，，很顯然，圖形符號(hào)中箭頭指向“溝道”，表示是N型溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管；箭頭背離“溝道”，表示是P型溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。由于結(jié)型管的源極S和漏極D在制造工藝上是對(duì)稱的，所以圖形符號(hào)畫(huà)法也很對(duì)稱，表示在實(shí)際應(yīng)用中這兩個(gè)電極可以對(duì)換使用。在絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)中，柵極G都不帶箭頭，不與“溝道”豎直線接觸，表示管中柵極G與漏極D.源極S是絕緣的，以區(qū)別于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。將表示溝道結(jié)型的“箭頭”改畫(huà)在“溝道”中間表示“襯底”的水平線上，即箭頭指向“溝道”，表示是N型溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管；箭頭背離“溝道”，表示是P型溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。另外，箭頭線畫(huà)的短，表示襯底無(wú)引出線；箭頭線畫(huà)的稍長(zhǎng)，表示襯底有引出線；箭頭線與源極S相連，表示襯底在管子內(nèi)部已經(jīng)與源極連接。對(duì)于增強(qiáng)型的管子，還將“溝道”線畫(huà)成3截，表示在零柵壓下這種管子是沒(méi)有導(dǎo)電溝道的，以區(qū)別于耗盡型MOS管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。可見(jiàn)，掌握了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的這些圖形符號(hào)，就等于掌握了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的種類，這對(duì)分析電路和正確運(yùn)用場(chǎng)效應(yīng)晶體管都很重要。

跟普通晶體三極管一樣，以前場(chǎng)效應(yīng)晶體管的舊圖形符號(hào)均用圓圈表示外殼，現(xiàn)已廢棄不再畫(huà)出圓圈。不過(guò)我們翻閱以前的電路圖或圖書(shū)時(shí)，會(huì)看到帶有圓圈的場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖形符號(hào)。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管的文字符號(hào)與普通晶體三極管的文字符號(hào)相同，常用VT（舊符號(hào)為BG）或V表示，在電路圖中常寫(xiě)在圖形符號(hào)旁邊。若電路圖中有多只同類元器件時(shí)，按常規(guī)就在文字后面或右下角標(biāo)上數(shù)字，以示區(qū)別，如VT1、VT2-文字符號(hào)的下邊，一般標(biāo)出場(chǎng)效應(yīng)晶體管的型號(hào)。

型號(hào)命名

共有兩種命名方法。

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(chǎng)效應(yīng)管，O代表絕緣柵場(chǎng)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P溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管，3DO6C是絕緣柵型N溝道場(chǎng)效應(yīng)三極管。

第二種命名方法是CS××#，CS代表場(chǎng)效應(yīng)管，××以數(shù)字代表型號(hào)的序號(hào)，#用字母代表同一型號(hào)中的不同規(guī)格。例如CS14A、CS45G等。
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