場效應(yīng)管基礎(chǔ)知識解析（二）

場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫（FET））簡稱場效應(yīng)管。主要有兩種類型（junction FET—JFET）和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（metal-oxide semiconductor FET，簡稱MOS-FET）。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（107～1015Ω）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。場效應(yīng)管（FET）是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。FET 英文為Field Effect Transistor，簡寫成FET。

MOS場效應(yīng)管

即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，英文縮寫為MOSFET （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），屬于絕緣柵型。其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻（最高可達(dá)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(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又分增強(qiáng)型、耗盡型。所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)VGS=0時管子是呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的VGS后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。耗盡型則是指，當(dāng)VGS=0時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數(shù)載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止。

以N溝道為例，它是在P型硅襯底上制成兩個高摻雜濃度的源擴(kuò)散區(qū)N+和漏擴(kuò)散區(qū)N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內(nèi)部連通，二者總保持等電位。當(dāng)漏接電源正極，源極接電源負(fù)極并使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(kuò)散區(qū)之間就感應(yīng)出帶負(fù)電的少數(shù)載流子，形成從漏極到源極的N型溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VTN（一般約為+2V）時，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID。

VMOS場效應(yīng)管

VMOS場效應(yīng)管（VMOSFET）簡稱VMOS管或功率場效應(yīng)管，其全稱為V型槽MOS場效應(yīng)管。它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效、功率開關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場效應(yīng)管輸入阻抗高（≥108W）、驅(qū)動電流?。ㄗ笥?.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(dǎo)的線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性。正是由于它將電子管與功率晶體管之優(yōu)點(diǎn)集于一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千倍）、功率放大器、開關(guān)電源和逆變器中正獲得廣泛應(yīng)用。

眾所周知，傳統(tǒng)的MOS場效應(yīng)管的柵極、源極和漏極大大致處于同一水平面的芯片上，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(jié)構(gòu)特點(diǎn)：第一，金屬柵極采用V型槽結(jié)構(gòu)；第二，具有垂直導(dǎo)電性。由于漏極是從芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平流動，而是自重?fù)诫sN+區(qū)（源極S）出發(fā)，經(jīng)過P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū)，最后垂直向下到達(dá)漏極D。因?yàn)榱魍ń孛娣e增大，所以能通過大電流。由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬于絕緣柵型MOS場效應(yīng)管。

使用優(yōu)勢

場效應(yīng)管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應(yīng)選用場效應(yīng)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(yīng)選用晶體管。場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以稱之為單極型器件，而晶體管是既有多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電，被稱之為雙極型器件。

有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比三極管好。

場效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上，因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

對比

場效應(yīng)管與三極管的各自應(yīng)用特點(diǎn)

1.場效應(yīng)管的源極s、柵極g、漏極d分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似。

2.場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由vGS控制iD，其放大系數(shù)gm一般較小，因此場效應(yīng)管的放大能力較差；三極管是電流控制電流器件，由iB（或iE）控制iC。

3.場效應(yīng)管柵極幾乎不取電流（ig»0）；而三極管工作時基極總要吸取一定的電流。因此場效應(yīng)管的柵極輸入電阻比三極管的輸入電阻高。

4.場效應(yīng)管是由多子參與導(dǎo)電；三極管有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電，而少子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，因而場效應(yīng)管比晶體管的溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。在環(huán)境條件（溫度等）變化很大的情況下應(yīng)選用場效應(yīng)管。

5.場效應(yīng)管在源極金屬與襯底連在一起時，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大；而三極管的集電極與發(fā)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(yīng)管的噪聲系數(shù)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(yīng)管。

7.場效應(yīng)管和三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但由于前者制造工藝簡單，且具有耗電少，熱穩(wěn)定性好，工作電源電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。

8.三極管導(dǎo)通電阻大，場效應(yīng)管導(dǎo)通電阻小，只有幾百毫歐姆，在現(xiàn)用電器件上，一般都用場效應(yīng)管做開關(guān)來用，他的效率是比較高的。

場效應(yīng)管與雙極性晶體管的比較

場效應(yīng)管是電壓控制器件，柵極基本不取電流，而晶體管是電流控制器件，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(yīng)選用場效應(yīng)管。

場效應(yīng)管是多子導(dǎo)電，而晶體管的兩種載流子均參與導(dǎo)電。由于少子的濃度對溫度、輻射等外界條件很敏感，因此，對于環(huán)境變化較大的場合，采用場效應(yīng)管比較合適。

場效應(yīng)管除了和晶體管一樣可作為放大器件及可控開關(guān)外，還可作壓控可變線性電阻使用。

場效應(yīng)管的源極和漏極在結(jié)構(gòu)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(fù)。因此，使用場效應(yīng)管比晶體管靈活。

主要參數(shù)

直流參數(shù)

飽和漏極電流IDSS它可定義為：當(dāng)柵、源極之間的電壓等于零，而漏、源極之間的電壓大于夾斷電壓時，對應(yīng)的漏極電流。

夾斷電壓UP它可定義為：當(dāng)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(dāng)UDS一定時，使ID到達(dá)某一個數(shù)值時所需的UGS。

交流參數(shù)

交流參數(shù)可分為輸出電阻和低頻互導(dǎo)2個參數(shù)，輸出電阻一般在幾十千歐到幾百千歐之間，而低頻互導(dǎo)一般在十分之幾至幾毫西的范圍內(nèi)，特殊的可達(dá)100mS，甚至更高。

低頻跨導(dǎo)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(yīng)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(shù)

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(fā)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(shù)外，還有極間電容、高頻參數(shù)等其他參數(shù)。

漏、源擊穿電壓當(dāng)漏極電流急劇上升時，產(chǎn)生雪崩擊穿時的UDS。

柵極擊穿電壓結(jié)型場效應(yīng)管正常工作時，柵、源極之間的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，若電流過高，則產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。

使用時主要關(guān)注的參數(shù)有：

1、IDSS—飽和漏源電流。是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中，柵極電壓UGS=0時的漏源電流。

2、UP—夾斷電壓。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。

3、UT—開啟電壓。是指增強(qiáng)型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導(dǎo)通時的柵極電壓。

4、gM—跨導(dǎo)。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(yīng)管放大能力的重要參數(shù)。

5、BUDS—漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時，場效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項(xiàng)極限參數(shù)，加在場效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BUDS。

6、PDSM—最大耗散功率。也是一項(xiàng)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。使用時，場效應(yīng)管實(shí)際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量。

7、IDSM—最大漏源電流。是一項(xiàng)極限參數(shù)，是指場效應(yīng)管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。場效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過IDSM。

測量方法

電阻法測電極

根據(jù)場效應(yīng)管的PN結(jié)正、反向電阻值不一樣的現(xiàn)象，可以判別出結(jié)型場效應(yīng)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(dāng)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?yàn)閷Y(jié)型場效應(yīng)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，另一只表筆依次去接觸其余的兩個電極，測其電阻值。當(dāng)出現(xiàn)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，其余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(jié)的反向，即都是反向電阻，可以判定是P溝道場效應(yīng)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(jié)，即是正向電阻，判定為N溝道場效應(yīng)管，黑表筆接的也是柵極。若不出現(xiàn)上述情況，可以調(diào)換黑、紅表筆按上述方法進(jìn)行測試，直到判別出柵極為止。

電阻法測好壞

測電阻法是用萬用表測量場效應(yīng)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(yīng)管手冊標(biāo)明的電阻值是否相符去判別管的好壞。具體方法：首先將萬用表置于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范圍（在手冊中可知，各種不同型號的管，其電阻值是各不相同的），如果測得阻值大于正常值，可能是由于內(nèi)部接觸不良；如果測得阻值是無窮大，可能是內(nèi)部斷極。然后把萬用表置于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(dāng)測得其各項(xiàng)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?yàn)橥?，則說明管是壞的。要注意，若兩個柵極在管內(nèi)斷極，可用元件代換法進(jìn)行檢測。

測放大能力

用感應(yīng)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(yīng)管加上1.5V的電源電壓，此時表針指示出的漏源極間的電阻值。然后用手捏住結(jié)型場效應(yīng)管的柵極G，將人體的感應(yīng)電壓信號加到柵極上。這樣，由于管的放大作用，漏源電壓VDS和漏極電流Ib都要發(fā)生變化，也就是漏源極間電阻發(fā)生了變化，由此可以觀察到表針有較大幅度的擺動。如果手捏柵極表針擺動較小，說明管的放大能力較差；表針擺動較大，表明管的放大能力大；若表針不動，說明管是壞的。

根據(jù)上述方法，用萬用表的R×100檔，測結(jié)型場效應(yīng)管3DJ2F。先將管的G極開路，測得漏源電阻RDS為600Ω，用手捏住G極后，表針向左擺動，指示的電阻RDS為12kΩ，表針擺動的幅度較大，說明該管是好的，并有較大的放大能力。

運(yùn)用這種方法時要說明幾點(diǎn)：首先，在測試場效應(yīng)管用手捏住柵極時，萬用表針可能向右擺動（電阻值減?。?，也可能向左擺動（電阻值增加）。這是由于人體感應(yīng)的交流電壓較高，而不同的場效應(yīng)管用電阻檔測量時的工作點(diǎn)可能不同（或者工作在飽和區(qū)或者在不飽和區(qū)）所致，試驗(yàn)表明，多數(shù)管的RDS增大，即表針向左擺動；少數(shù)管的RDS減小，使表針向右擺動。但無論表針擺動方向如何，只要表針擺動幅度較大，就說明管有較大的放大能力。第二，此方法對MOS場效應(yīng)管也適用。但要注意，MOS場效應(yīng)管的輸人電阻高，柵極G允許的感應(yīng)電壓不應(yīng)過高，所以不要直接用手去捏柵極，必須用于握螺絲刀的絕緣柄，用金屬桿去碰觸柵極，以防止人體感應(yīng)電荷直接加到柵極，引起柵極擊穿。第三，每次測量完畢，應(yīng)當(dāng)G-S極間短路一下。這是因?yàn)镚-S結(jié)電容上會充有少量電荷，建立起VGS電壓，造成再進(jìn)行測量時表針可能不動，只有將G-S極間電荷短路放掉才行。

無標(biāo)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，余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(diào)表筆再測量一次，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(jìn)行驗(yàn)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(jié)果均應(yīng)一樣。當(dāng)確定了漏極D、源極S的位置后，按D、S的對應(yīng)位置裝人電路，一般G1、G2也會依次對準(zhǔn)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。

判斷跨導(dǎo)的大小

測反向電阻值的變化判斷跨導(dǎo)的大小。對VMOSV溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管測量跨導(dǎo)性能時，可用紅表筆接源極S、黑表筆接漏極D，這就相當(dāng)于在源、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(wěn)定的。將萬用表的歐姆檔選在R×10kΩ的高阻檔，此時表內(nèi)電壓較高。當(dāng)用手接觸柵極G時，會發(fā)現(xiàn)管的反向電阻值有明顯地變化，其變化越大，說明管的跨導(dǎo)值越高；如果被測管的跨導(dǎo)很小，用此法測時，反向阻值變化不大。

注意事項(xiàng)

（1）為了安全使用場效應(yīng)管，在線路的設(shè)計(jì)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(shù)的極限值。

（2）各類型場效應(yīng)管在使用時，都要嚴(yán)格按要求的偏置接入電路中，要遵守場效應(yīng)管偏置的極性。如結(jié)型場效應(yīng)管柵源漏之間是PN結(jié)，N溝道管柵極不能加正偏壓；P溝道管柵極不能加負(fù)偏壓，等等。

（3）MOS場效應(yīng)管由于輸入阻抗極高，所以在運(yùn)輸、貯藏中必須將引出腳短路，要用金屬屏蔽包裝，以防止外來感應(yīng)電勢將柵極擊穿。尤其要注意，不能將MOS場效應(yīng)管放入塑料盒子內(nèi)，保存時最好放在金屬盒內(nèi)，同時也要注意管的防潮。

（4）為了防止場效應(yīng)管柵極感應(yīng)擊穿，要求一切測試儀器、工作臺、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(tài)，焊接完后才把短接材料去掉；從元器件架上取下管時，應(yīng)以適當(dāng)?shù)姆绞酱_保人體接地如采用接地環(huán)等；當(dāng)然，如果能采用先進(jìn)的氣熱型電烙鐵，焊接場效應(yīng)管是比較方便的，并且確保安全；在未關(guān)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(yīng)管時必須注意。

（5）在安裝場效應(yīng)管時，注意安裝的位置要盡量避免靠近發(fā)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(yīng)當(dāng)大于根部尺寸5毫米處進(jìn)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后。以VNF306為例，該管子加裝140×140×4（mm）的散熱器后，最大功率才能達(dá)到30W。

（7）多管并聯(lián)后，由于極間電容和分布電容相應(yīng)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蕩。為此，并聯(lián)復(fù)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蕩電阻。

（8）結(jié)型場效應(yīng)管的柵源電壓不能接反，可以在開路狀態(tài)下保存，而絕緣柵型場效應(yīng)管在不使用時，由于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，以防止由于電烙鐵帶電而損壞管子。對于少量焊接，也可以將電烙鐵燒熱后拔下插頭或切斷電源后焊接。特別在焊接絕緣柵場效應(yīng)管時，要按源極－漏極－柵極的先后順序焊接，并且要斷電焊接。

（10）用25W電烙鐵焊接時應(yīng)迅速，若用45～75W電烙鐵焊接，應(yīng)用鑷子夾住管腳根部以幫助散熱。結(jié)型場效應(yīng)管可用表電阻檔定性地檢查管子的質(zhì)量（檢查各PN結(jié)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后才能去掉各電極短路線。取下時，則應(yīng)先短路再取下，關(guān)鍵在于避免柵極懸空。

在要求輸入阻抗較高的場合使用時，必須采取防潮措施，以免由于溫度影響使場效應(yīng)管的輸入電阻降低。如果用四引線的場效應(yīng)管，其襯底引線應(yīng)接地。陶瓷封裝的芝麻管有光敏特性，應(yīng)注意避光使用。

對于功率型場效應(yīng)管，要有良好的散熱條件。因?yàn)楣β市蛨鲂?yīng)管在高負(fù)荷條件下運(yùn)用，必須設(shè)計(jì)足夠的散熱器，確保殼體溫度不超過額定值，使器件長期穩(wěn)定可靠地工作。

總之，確保場效應(yīng)管安全使用，要注意的事項(xiàng)是多種多樣，采取的安全措施也是各種各樣，廣大的專業(yè)技術(shù)人員，特別是廣大的電子愛好者，都要根據(jù)自己的實(shí)際情況出發(fā)，采取切實(shí)可行的辦法，安全有效地用好場效應(yīng)管。

應(yīng)用領(lǐng)域

場效應(yīng)管（fet）是電場效應(yīng)控制電流大小的單極型半導(dǎo)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(wěn)定性好、制造工藝簡單等特點(diǎn)，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被應(yīng)用。

場效應(yīng)器件憑借其低功耗、性能穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢，在集成電路中已經(jīng)有逐漸取代三極管的趨勢。但它還是非常嬌貴的，雖然多數(shù)已經(jīng)內(nèi)置了保護(hù)二極管，但稍不注意，也會損壞。所以在應(yīng)用中還是小心為妙。

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