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MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法_場效應管與三極管的區別

2017年07月23日 10:43 電子發燒友網整理 作者:佚名 用戶評論(0

  場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。主要有兩種類型(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場效應管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。

  場效應管由多數載流子參與導電,它屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點,現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。

  場效應管(FET)是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件,并以此命名。由于它僅靠半導體中的多數載流子導電,又稱單極型晶體管。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法----場效應管作用

  1、場效應管可應用于放大。由于場效應管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合電容可以容量較小,不必使用電解電容器。

  2、場效應管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。

  3、場效應管可以用作可變電阻。

  4、場效應管可以方便地用作恒流源。

  5、場效應管可以用作電子開關。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法----場效應管工作原理

  場效應管工作原理用一句話說,就是“漏極-源極間流經溝道的ID,用以柵極與溝道間的pn結形成的反偏的柵極電壓控制ID”。更正確地說,ID流經通路的寬度,即溝道截面積,它是由pn結反偏的變化,產生耗盡層擴展變化控制的緣故。在VGS=0的非飽和區域,表示的過渡層的擴展因為不很大,根據漏極-源極間所加VDS的電場,源極區域的某些電子被漏極拉去,即從漏極向源極有電流ID流動。

  從門極向漏極擴展的過度層將溝道的一部分構成堵塞型,ID飽和。將這種狀態稱為夾斷。這意味著過渡層將溝道的一部分阻擋,并不是電流被切斷。

  在過渡層由于沒有電子、空穴的自由移動,在理想狀態下幾乎具有絕緣特性,通常電流也難流動。但是此時漏極-源極間的電場,實際上是兩個過渡層接觸漏極與門極下部附近,由于漂移電場拉去的高速電子通過過渡層。因漂移電場的強度幾乎不變產生ID的飽和現象。其次,VGS向負的方向變化,讓VGS=VGS(off),此時過渡層大致成為覆蓋全區域的狀態。而且VDS的電場大部分加到過渡層上,將電子拉向漂移方向的電場,只有靠近源極的很短部分,這更使電流不能流通。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法----場效應管參數

  場效應管的參數很多,包括直流參數、交流參數和極限參數,但一般使用時關注以下主要參數:

  1、I DSS — 飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中,柵極電壓U GS=0時的漏源電流。

  2、UP — 夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中,使漏源間剛截止時的柵極電壓。

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

  4、gM — 跨導。是表示柵源電壓U GS — 對漏極電流I D的控制能力,即漏極電流I D變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM 是衡量場效應管放大能力的重要參數。

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

  6、PDSM — 最大耗散功率。也是一項極限參數,是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時,場效應管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量。

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

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  幾種常用的場效應三極管的主要參數

  C-MOS場效應管(增強型MOS場效應管)

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法----MOS場效應管工作原理

  這是該裝置的核心,在介紹該部分工作原理之前,先簡單解釋一下MOS 場效應管的工作原理。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  MOS 場效應管也被稱為MOS FET, 既Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor(金屬氧化物半導體場效應管)的縮寫。它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的為增強型MOS場效應管,其內部結構見圖5。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,對于N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上,同樣對于P溝道的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于場效應管,其輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制,可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應管的原因。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  為解釋MOS場效應管的工作原理,我們先了解一下僅含有一個P—N結的二極管的工作過程。如圖6所示,我們知道在二極管加上正向電壓(P端接正極,N端接負極)時,二極管導通,其PN結有電流通過。這是因為在P型半導體端為正電壓時,N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導體端,而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動,從而形成導通電流。同理,當二極管加上反向電壓(P端接負極,N端接正極)時,這時在P型半導體端為負電壓,正電子被聚集在P型半導體端,負電子則聚集在N型半導體端,電子不移動,其PN結沒有電流通過,二極管截止。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  對于場效應管,在柵極沒有電壓時,由前面分析可知,在源極與漏極之間不會有電流流過,此時場效應管處與截止狀態(圖7a)。當有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應管柵極上時,由于電場的作用,此時N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體中(見圖7b),從而形成電流,使源極和漏極之間導通。我們也可以想像為兩個N型半導體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁,該橋的大小由柵壓的大小決定。圖8給出了P溝道的MOS

  場效應管的工作過程,其工作原理類似這里不再重復。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  下面簡述一下用C-MOS場效應管(增強型MOS場效應管)組成的應用電路的工作過程(見圖9)。電路將一個增強型P溝道MOS場效應管和一個增強型N溝道MOS場效應管組合在一起使用。當輸入端為低電平時,P溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時,N溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應管和N溝道MOS場效應管總是在相反的狀態下工作,其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時,MOS場效應管既被關斷。不同場效應管其關斷電壓略有不同。也正因為如此,

  使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應管電路部分的工作過程(見圖10)。工作原理同前所述。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法----場效應管測量方法

  下面是對場效應管的測量方法:場效應管英文縮寫為FET.可分為結型場效應管(JFET)和絕緣柵型場效應管(MOSFET),我們平常簡稱為MOS管。而MOS管又可分為增強型和耗盡型而我們平常主板中常見使用的也就是增強型的MOS管。

  下圖為MOS管的標識

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  我們主板中常用的MOS管G D S三個引腳是固定的。。。不管是N溝道還是P溝道都一樣。。。把芯片放正。。。從左到右分別為G極D極S極!如下圖:

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  用二極管檔對MOS管的測量。。。首先要短接三只引腳對管子進行放電。。。

  1然后用紅表筆接S極。黑表筆接D極。如果測得有500多的數值。。說明此管為N溝道。。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  2黑筆不動。。用紅筆去接觸G極測得數值為1.

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  3紅筆移回到S極。此時管子應該為導通。。。

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  4然后紅筆測D極。而黑筆測S極。應該測得數值為1.(這一步時要注意。因為之前測量時給了G極2.5V萬用表的電壓。。所以DS之間還是導通的。。不過大概10幾秒后才恢復正常。。。建議進行這一步時再次短接三腳給管子放電先)

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  5然后紅筆不動。黑筆去測G極。。數值應該為1

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  到此我們可以判定此N溝道場管為正常

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法

  有的人說后面兩步可以省略不測。。。不過我習慣性把五個步驟全用上。。。當然。對然P溝道的測量步驟也一樣。。。只不過第一步為黑表筆測S極。紅表筆測D極。。可以測得500多的數值。。。

  測量方法描述到此結束。。。.

  MOS場效應管的工作原理_場效應管測量方法----可控硅,場效應管,三極管的區別

  場效應管 VS 三極管

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

  2.場效應管是電壓控制電流器件,由vGS控制iD,其放大系數gm一般較小,因此場效應管的放大能力較差;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。因此場效應管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高。

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

  5.場效應管在源極水與襯底連在一起時,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射極互換使用時,其特性差異很大,b值將減小很多。

  6.場效應管的噪聲系數很小,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管。

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

  可控硅 VS (三極管 /場效應管)

  可控硅是一種特殊的二極管,是可控硅整流元件的簡稱。是一種具有三個PN 結的四層結構的大功率半導體器件,一般由兩晶閘管反向連接而成。它的功用不僅是整流,還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路,實現將直流電變成交流電的逆變,將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等。

  可控硅二極管可用兩個不同極性(P-N-P和N-P-N)晶體管來模擬。當可控硅的柵極懸空時,BG1和BG2都處于截止狀態,此時電路基本上沒有電流流過負載電阻RL,當柵極輸入一個正脈沖電壓時BG2道通,使BG1的基極電位下降,BG1因此開始道通,BG1的道通使得BG2的基極電位進一步升高,BG1的基極電位進一步下降,經過這一個正反饋過程使BG1和BG2進入飽和道通狀態。電路很快從截止狀態進入道通狀態,這時柵極就算沒有觸發脈沖電路由于正反饋的作用將保持道通狀態不變。如果此時在陽極和陰極加上反向電壓,由于BG1和BG2均處于反向偏置狀態所以電路很快截止,另外如果加大負載電阻RL的阻值使電路電流減少BG1和BG2的基電流也將減少,當減少到某一個值時由于電路的正反饋作用,電路將很快從道通狀態翻轉為截止狀態,我們稱這個電流為維持電流。在實際應用中,我們可通過一個開關來短路可控硅的陽極和陰極從而達到可控硅的關斷。

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