功率场效应管(mosfet)的结构，工作原理及应用。
本文将介绍功率场效应管(mosfet)的结构、工作原理及基本工作电路。
什么是场效应管(mosfet)
“场效应管(mosfet)”是英文metaloxide semicoductor field effect transistor的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。它是由金属、氧化物(sio2或sin)及半导体三种材料制成的器件。所谓功率场效应管(mosfet)(power 场效应管(mosfet))是指它能输出较大的工作电流(几安到几十安)，用于功率输出级的器件。
场效应管(mosfet)的结构。
图1是典型平面n沟道增强型场效应管(mosfet)的剖面图。它用一块p型硅半导体材料作衬底(图la)，在其面上扩散了两个n型区(图lb)，再在上面覆盖一层二氧化硅(siq2)绝缘层(图lc)，最后在n区上方用腐蚀的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极：g(栅极)、s(源极)及d(漏极)，如图1d所示。
从图1中可以看出栅极g与漏极d及源极s是绝缘的，d与s之间有两个pn结。一般情况下，衬底与源极在内部连接在一起。
图1是n沟道增强型场效应管(mosfet)的基本结构图。为了改善某些参数的特性，如提高工作电流、提高工作电压、降低导通电阻、提高开关特性等有不同的结构及工艺，构成所谓vmos、dmos、tmos等结构。图2是一种n沟道增强型功率场效应管(mosfet)的结构图。
虽然有不同的结构，但其工作原理是相同的，这里就不一一介绍了。
场效应管(mosfet)的工作原理。
要使增强型n沟道场效应管(mosfet)工作，要在g、s之间加正电压vgs及在d、s之间加正电压vds，则产生正向工作电流id。改变vgs的电压可控制工作电流id。如图3所示（上面↑）。
若先不接vgs(即vgs＝0)，在d与s极之间加一正电压vds，漏极d与衬底之间的pn结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极g与源极s之间加一电压vgs。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。
当加上vgs时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和p型衬底界面上感应出负电荷(如图3)。这层感应的负电荷和p型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两n型区连接起来形成导电沟道。当vgs电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被p型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流id。
当vgs增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的n区沟通形成n沟道，这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压)，用符号vt表示(一般规定在id＝10ua时的vgs作为vt)。当vgs继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，id也随之增加，并且呈较好线性关系，如图4所示。此曲线称为转换特性。
因此在一定范围内可以认为，改变vgs来控制漏源之间的电阻，达到控制id的作用。
由于这种结构在vgs＝0时，id＝0，称这种场效应管(mosfet)为增强型。另一类场效应管(mosfet)，在vgs＝0时也有一定的id(称为idss)，这种场效应管(mosfet)称为耗尽型。它的结构如图5所示，它的转移特性如图6所示。
vp为夹断电压(id＝0)。
耗尽型与增强型主要区别是在制造sio2绝缘层中有大量的正离子，使在p型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个n型区中间的p型硅内形成一n型硅薄层而形成一导电沟道，所以在vgs＝0时，有vds作用时也有一定的id(idss)；当vgs有电压时(可以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变id的大小。vp为id＝0时的-vgs，称为夹断电压。
除了上述采用p型硅作衬底形成n型导电沟道的n沟道场效应管(mosfet)外，也可用n型硅作衬底形成p型导电沟道的p沟道场效应管(mosfet)。这样，场效应管(mosfet)的分类如图7所示。
耗尽型：n沟道(图7a)；p沟道(图c)；
增强型：n沟道（图b)；p沟道(图d)。
为防止场效应管(mosfet)接电感负载时，在截止瞬间产生感应电压与电源电压之和击穿场效应管(mosfet)，一般功率场效应管(mosfet)在漏极与源极之间内接一个快速恢复二极管，如图8所示。
功率场效应管(mosfet)的特点。
功率场效应管(mosfet)与双极型功率相比具有如下特点：
1．场效应管(mosfet)是电压控制型器件(双极型是电流控制型器件)，因此在驱动大电流时无需推动级，电路较简单；
2．输入阻抗高，可达108ω以上；
3．工作频率范围宽，开关速度高(开关时间为几十纳秒到几百纳秒)，开关损耗小；
4．有较优良的线性区，并且场效应管(mosfet)的输入电容比双极型的输入电容小得多，所以它的交流输入阻抗极高；噪声也小，最合适制作hi-fi音响；
5．功率场效应管(mosfet)可以多个并联使用，增加输出电流而无需均流电阻。
功率场效应管(mosfet)典型应用电路。
1．电池反接保护电路。
电池反接保护电路如图9所示。一般防止电池接反损坏电路采用串接二极管的方法，在电池接反时，pn结反接无电压降，但在正常工作时有0.6～0.
7v的管压降。采用导通电阻低的增强型n沟道场效应管(mosfet)具有极小的管压降(rds(on)×id)，如si9410dy的rds(on）约为0.04ω，则在la时约为0.
04v。这时要注意在电池正确安装时，id并非完全通过管内的二极管，而是在vgs≥5v时，n导电沟道畅通(它相当于一个极小的电阻)而大部分电流是从s流向d的(id为负)。而当电池装反时，场效应管(mosfet)不通，电路得以保护。
2．触摸调光电路。
一种简单的触摸调光电路如图10。当手指触摸上触头时，电容经手指电阻及100k充电，vgs渐增大，灯渐亮；当触摸下触头时，电容经。
100k及手指电阻放电，灯渐暗到灭。
3．甲类功率放大电路。
由r1、r2建立vgs静态工作点(此时有一定的id流过)。当音频信号经过c1耦合到栅极，使产生-△vgs，则产生较大的△id，经输出变压器阻抗匹配，使4～8ω喇叭输出较大的声功率。图ll中dw为9v稳压二极管，是保护g、s极以免输入过高电压而击穿。
从图中也可以看出，偏置电阻的数值较大，因为栅极输入阻抗极高，并且无栅流。
场效应管 FET 的工作原理总结
n沟道和p沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以n沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。n沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅 源极间加一负电压 vgs 0 使栅 源极间的p n结反偏，栅极电流ig 0，场效应管呈现很高的输入电阻 高达108 左右 在漏 源极间加一正电压 ...
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