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(108~109ω)、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πmos场效应管、vmos功率模块等。
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。见下图。
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,3do6c 是绝缘栅型n沟道场效应三极管。
第二种命名方法是cs××#,cs代表场效应管,××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一定时,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buds。
6、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
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r×1k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kω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r×100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。
场效应管工作原理
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