場效應(yīng)管原理

場效應(yīng)晶體管通常簡稱為場效應(yīng)管，是一種應(yīng)用場效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體器件，外形如圖4.21所示。和普通雙極型晶體管相比擬，場效應(yīng)管具有輸入阻抗高、噪聲低、動態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等特性，得到了越來越普遍的應(yīng)用。

場效應(yīng)管的品種很多，主要分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵場效應(yīng)管兩大類，又都有N溝道和P溝道之分。

絕緣柵場效應(yīng)管也叫做金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱為MOS場效應(yīng)管，分為耗盡型MOS管和加強型MOS管。

場效應(yīng)管還有單柵極管和雙柵極管之分。雙柵場效應(yīng)管具有兩個相互獨立的柵極G1和G2，從構(gòu)造上看相當(dāng)于由兩個單柵場效應(yīng)管串聯(lián)而成，其輸出電流的變化受到兩個柵極電壓的控制。雙柵場效應(yīng)管的這種特性，在作為高頻放大器、增益控制放大器、混頻器和解調(diào)器運用時會帶來很大便當(dāng)。

怎樣識別場效應(yīng)管

場效應(yīng)管的文字符號為“VT”，圖形符號如圖4-22所示。

場效應(yīng)管普通具有3個引腳，分別是柵極G、源極s和漏極D，它們的功用分別對應(yīng)于雙極型晶體管的基極b、發(fā)射極e和集電極c。由于場效應(yīng)管的源極s和漏極D是對稱的，實踐運用中能夠互換。雙柵極場效應(yīng)管具有4個引腳，分別是柵極G1和G2、源極S和漏極D。常用場效應(yīng)管的引腳如圖4-23所示，運用中應(yīng)注意識別。

場效應(yīng)管有什么特點

場效應(yīng)管的特點由柵極電壓UG控制其漏極電流ID。和普通雙極型晶體管相比擬，場效應(yīng)管具有輸入阻抗高、噪聲低、動態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等特性。

場效應(yīng)管的基本工作原理如圖4- 24所示（以結(jié)型N溝道管為例）。由于柵極G接有負偏壓（-UG），在G左近構(gòu)成耗盡層。

當(dāng)負偏壓（-UG）的絕對值增大時，耗盡層增大，溝道減小，漏極電流ID減小。當(dāng)負偏壓（-Uc）的絕對值減小時，耗盡層減小，溝道增大，漏極電流ID增人?？梢姡O電流ID受柵極電壓的控制，所以場效應(yīng)管是電壓控制型器件，即經(jīng)過輸入電壓的變化來控制輸出電流的變化，從而到達放大等目的。

和雙極型晶體管一樣，場效應(yīng)管用于放大等電路時，其柵極也應(yīng)加偏置電壓。

結(jié)型場效應(yīng)管的柵極應(yīng)加反向偏置電壓，即N溝道管加負柵壓，P溝道管加正柵壓。加強型絕緣柵場效應(yīng)管應(yīng)加正向柵壓。耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的柵壓可正、可負、可為“0”，見表4-2。加偏置的辦法有固定偏置法、自給偏置法、直接耦合法等。

怎樣理解場效應(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)，但普通運用時只需關(guān)注以下主要參數(shù)：飽和漏源電流IDss、夾斷電壓Ue，（結(jié)型管和耗盡型絕緣柵管）或開啟電壓JT（加強型絕緣柵管）、跨導(dǎo)gm、漏源擊穿電壓BUDS最大耗散功率PDSM和最大漏源電流IDSM。

(1)飽和漏源電流

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

(2)夾斷電壓

夾斷電壓UP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。如圖4-25所示為N溝道管的UGS-ID曲線，可明白看出IDSS和UP的意義。如圖4-26所示為P溝道管的UGS-ID曲線。

(3)開啟電壓

開啟電壓UT是指加強型絕緣柵場效應(yīng)管中，使漏源間剛導(dǎo)通時的柵極電壓。如圖4-27所示為N溝道管的UGS-ID曲線，可明白看出UT的意義。如圖4-28所示為P溝道管的UGS-ID曲線。

(4)跨導(dǎo)

跨導(dǎo)gm，是表示柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制才能，即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化餐的比值。gm是權(quán)衡場效應(yīng)管放大才能的重要參數(shù)。

(5)漏源擊穿電壓

漏源擊穿電壓BUDS是指柵源電壓UGS一定時，場效應(yīng)管正常工作所能接受的最大漏源電壓。這是一項極限參數(shù)，加在場效應(yīng)管上的工作電壓必需小于BUDS。

(6)最大耗散功率

最大耗散功率PDSM也是一項極限參數(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。運用時場效應(yīng)管實踐功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。
(7)最大漏源電流

最大漏源電流IDSM是另一項極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管正常工作時，漏源間所允許經(jīng)過的最大電流。場效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超越IDSM。場效應(yīng)管的主要作用是放大、恒流、阻抗變換、可變電阻和電子開關(guān)等。

場效應(yīng)管有哪些用途

(1)放大

場效應(yīng)管具有放大作用。如圖4-29所示為場效應(yīng)管放大器，輸入信號Ui經(jīng)C1耦合至場效應(yīng)管VT的柵極，與原來的柵極負偏壓相疊加，使其漏極電流ID相應(yīng)變化，并在負載電阻RD上產(chǎn)生壓降，經(jīng)C2隔離直流后輸出，在輸出端即得到放大了的信號電壓Uo。ID與Ui同相，Uo與ui反相。由于場效府管放大器的輸入阻抗很高，因而耦合電容能夠容最較小，不用運用電解電容器。

(2)恒流

場效應(yīng)管能夠便當(dāng)?shù)貥?gòu)成恒流源，電路如圖4-30所示。恒流原理是假如經(jīng)過場效應(yīng)管的漏極電流ID因故增大，源極電阻Rs上構(gòu)成的負柵壓也隨之增大，迫使ID回落，反之亦然，使ID堅持恒定。恒定電流 式中Up為場效應(yīng)管夾斷電壓。

(3)阻抗變換

場效應(yīng)管很高的輸入阻抗十分合適作阻抗變換。如圖4-31所示為場效應(yīng)管源極輸出器，電路構(gòu)造與晶體三極管射極跟隨器相似，但由于場效應(yīng)管是電壓控制型器件，輸入阻抗極高，因而場效應(yīng)管源極輸出用具有更高的輸入阻抗Zi和較低的輸出阻抗Zo，常用于多級放大器的高阻抗輸入級作阻抗變換。

(4)可變電阻

場效應(yīng)管能夠用作可變電阻。如圖4-32所示為自動電平控制電路，當(dāng)輸人信號Ui增大招致Uo增大時，由Uo經(jīng)二極管VD負向整流后構(gòu)成的柵極偏壓-UG的絕對值也增大，使場效應(yīng)管VT的等效電阻增大，R1與其的分壓比減小，使進入放大器的信號電壓減小，最終使Uo堅持根本不變。

(5)電子開關(guān)

場效應(yīng)管能夠用作電子開關(guān)。如圖4-33所示為直流信號調(diào)制電路，場效應(yīng)管VT1、VT2下作于開關(guān)狀態(tài)，其柵極分別接人頻率相同、相位相反的方波電壓。當(dāng)VTi導(dǎo)通VT2截止時，Ui向C充電；當(dāng)VT1截VT2導(dǎo)通時，C放電；其輸出Uo便是與輸入直流電壓Ui相關(guān)的交變電壓。

怎樣選用場效應(yīng)管

常用場效應(yīng)管主要有結(jié)型場效應(yīng)管、耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管、加強型絕緣柵場效應(yīng)管、雙柵場效應(yīng)管、功率場效應(yīng)管等。

(1)結(jié)型場效應(yīng)管

結(jié)型場效應(yīng)管因其具有兩個PN結(jié)而得名。結(jié)型場效應(yīng)管正常工作時，柵極應(yīng)加負偏壓（相對漏極而言）。關(guān)于N溝道結(jié)型場效應(yīng)管，漏極加正電壓，柵極加負電壓。關(guān)于P溝道結(jié)型場效應(yīng)管，漏極加負電壓，柵極加正電壓。

結(jié)型場效應(yīng)管的性能特性是當(dāng)柵極電壓UGS=0時管子導(dǎo)通，漏極電流ID到達最大值。柵極電壓的絕對值越大ID越小，直至管子截止。如圖4-34所示為結(jié)型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線（UGS-ID曲線）。

結(jié)型場效應(yīng)管具有很高的輸入阻抗，為107～lO9Q。常用結(jié)型場效應(yīng)管有3DJ系列，以及進口的2SJ系列和2SK系列等。

(2)耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管

絕緣柵場效應(yīng)管因柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層而得名，分為耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管和加強型絕緣柵場效應(yīng)管兩類。絕緣柵場效應(yīng)管具有極高的輸入阻抗，為109～1015Ω。

耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的性能特性是當(dāng)柵極電壓UGS=O時管子有一定的漏極電流ID。關(guān)于N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管，漏極加正電壓，柵極電壓從“0”逐步上升時漏極電流ID逐步增大，柵極電壓從“o”逐步降落時漏極電流ID逐步減小直至截止。列于P溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管，漏極加負電壓，柵極電壓從“0”逐步降落時漏極電流In逐步增大，柵極電壓從“o”逐步上升時漏極電流ID逐步減小直至截止。

如圖4-35所示為耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線（UGS - ID曲線）。常用耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管有3D01、3D02、3D04等。

(3)加強型絕緣柵場效應(yīng)管

加強型絕緣柵場效應(yīng)管正常工作時，柵極應(yīng)加正偏壓（即與漏極電壓相同）。關(guān)于N溝道加強型絕緣柵場效應(yīng)管，漏極和柵極均加正電壓。關(guān)于P溝道加強型絕緣柵場效應(yīng)管，漏極和柵極均加負電壓。

加強型絕緣柵場效應(yīng)管的性能特性是當(dāng)柵極電壓UGS=0時管子截止。柵極電壓的絕對值到達開啟電壓UT時開端有漏極電流ID，柵極電壓的絕對值越大漏極電流ID越大。

如圖4-36所示為加強型絕緣柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線（UGS-ID曲線）。常用的加強型絕緣柵場效應(yīng)管有3CO1、3C02、3CO3、3CO6、3DO3, 3DO6等。

(4)雙柵場效應(yīng)管

雙柵場效應(yīng)管的特性是具有兩個相互獨立的柵極G1和G2，從構(gòu)造上看相當(dāng)于兩個單柵場效應(yīng)管的串聯(lián)體，如圖4-37所示。

雙柵場效應(yīng)管的輸出電流遭到兩個柵極電壓的控制。雙柵場效應(yīng)管的這種特性使得其用作高頻放大器、增益控制放大器、混頻器和解凋器時帶來很大便當(dāng)。
雙柵場效應(yīng)管也有結(jié)型和絕緣柵型、N溝道和P溝道之分。常用結(jié)型雙柵場效應(yīng)管有4DJ系列，常用絕緣柵型雙柵場效應(yīng)管有4DO系列等。

(5)功率場效應(yīng)管

功率場效應(yīng)管也稱為VMOS場效應(yīng)管，因其金屬柵極采用V形槽構(gòu)造而得名，它也屬于絕緣柵場效應(yīng)管。

功率場效應(yīng)管是一種性能優(yōu)秀的電壓控制型功率開關(guān)器件，具有輸入阻抗高、驅(qū)動電流小、電壓增益高、耐1i；高、工作電流大、輸出功率大、開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻小、熱穩(wěn)定性好、過載才能強等特性，在功率放大器、開關(guān)電源、逆變器、電動機控制和調(diào)速等場所應(yīng)用普遍。

常用功率場效應(yīng)管有M'系列、VN系列、IRF系列等。

怎樣檢測場效應(yīng)管

場效應(yīng)管能夠用萬用表電阻撓停止引腳辨認和檢測。

(1)引腳辨認與檢測

結(jié)型場效應(yīng)管的引腳辨認辦法如圖4-38所示，將萬用表置于“RXlk”擋，用兩表筆分別丈量每兩個引腳間的正、反向電阻。當(dāng)某兩個引腳間的正、反向電阻相等，均為數(shù)千歐時，則這兩個引腳為漏極D和源極s（可互換），余下的一個引足跡為柵極G。

(2)辨別N溝道場效應(yīng)管和P溝道場效應(yīng)管

如圖4-39所示，將萬用表置于“R*1K擋，黑表筆接?xùn)艠OG，紅表筆分別接另外兩引腳，假如測得兩個電阻值均很大，則為N溝道場效應(yīng)管。假如測得兩個電阻值均很小，則為P溝道場效應(yīng)管。假如丈量結(jié)果不契合以上兩步，則闡明該場效應(yīng)管已壞或性能不良。

(3)估測結(jié)型場效應(yīng)管放大才能

將萬用表置于“RX100”擋，兩表筆分別接漏極D和源極S，然后用手捏住柵極G（注入人體感應(yīng)電壓），表針應(yīng)向左或向右擺動，如圖4-40所示。表針擺動幅度越大闡明場效應(yīng)管的放大才能越大。假如表針不動，闡明該管已壞。

(4)估測絕緣柵場效應(yīng)管放大才能

估測絕緣柵場效應(yīng)管（MOS管）放大才能時，由于其輸入阻抗很高，為避免人體感應(yīng)電壓惹起柵極擊穿，不要用手直接接觸柵極G，而應(yīng)手拿螺釘旋具的絕緣柄，用螺釘旋具的金屬桿去接觸柵極G，如圖4-41所示。判別辦法與丈量結(jié)型場效應(yīng)管相同。

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