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场效应管的工作原理MOS场效应管电源开关电路这是该装置的核心,在介绍该部分工作原理之前,先简洁解释一下MOS场效应管的工作原理MOS场效应管也被称为MOSFET既MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor(金属氧化物半导体场效应管〉的缩写它一般有耗尽型和增加型两种本文使用的为增加型MOS场效应管,其内部结构见图5它可分为NPN型PNP型NPN型通常称为N沟道型,PNP型也叫P沟道型山图可看出,对丁・N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上,同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上我们知道一般三极管是由输入的电流掌握输出的电流但对于场效应管,其输出电流是由输入的电压(或称电场)掌握,可以认为输入电流微小或没有输入电流,这使得该器件有很高的输入阻抗,同时这也是我们称之为场效应管的缘由为解新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结有电流通过这是由于在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打算图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卜面简述一卜.用C-MOS场效应管(增加型MOS场效应管)组成的应用电路的工作过程(见图9)电路将一个增加型P沟道MOS场效应管和一个增加型N沟道MOS场效应管组合在一起使用当输入端为低电平常,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常,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由于如此,使得该电路不会由于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(FieldEffectTransistor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加导电因此称为双极型晶体管而FET仅是由多数载流子参加导电它与双极型相反,也称为单极型晶体管它属于电压掌握型半导体器件,具有输入电阻高(108〜109)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、平安工作区域宽等优点,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ttMOS场效应管、VMOS功率模块等按沟道半导体材料的不同,结型和绝缘棚型各分沟道和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加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,也有增加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场效应晶体管乂分为N沟耗尽型和增加型P沟耗尽型和增加型四大类见下图
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,代表绝缘栅场效应管其次位字母代表材料,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,3D06C是绝缘栅型N沟道场效应三极管其次种命名方法是CSXX#CS代表场效应管,XX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许多,包括直流参数、沟通参数和极限参数,但一般使用时关注以下主要参数
1、I郦-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UGS=0时的漏源电流
2、I;.-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-开启电压是指增加型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压
4、-跨导是表示栅源电压UGS-对漏极电流ID的掌握力量,即漏极电流ID变化量与栅源电压又变化量的比值是衡量场效应管放大力量的重要参数
5、-漏源击穿电压是指栅源电压h肯定时,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需小于
6、Pm-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P网并留有肯定余量2I期-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I网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特别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、场效应管可以便利地用作恒流源
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放射极和集电极将万用表置于RX1k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KQ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,此外一极是屏蔽极(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,红表笔分别碰触此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打算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留意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极由于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,简洁将管子损坏
3、估测场效应管的放大力量将万用表拨到RX100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,可观看到表针有较大幅度的摇摆假如手捏栅极时表针摇摆很小,说明管子的放大力量较弱;若表针不动,说明管子已经损坏由于人体感应的50Hz沟通电压较高,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摇摆,也可能向左摇摆少数的管子RDS减小,使表针向右摇摆,多数管子的RDS增大,表针向左摇摆无论表针的摇摆方向如何,只要能有明显地摇摆,就说明管子具有放大力量本方法也适用于测MOS管为了爱护MOS场效应管,必需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极间短路一下即可目前常用的结型场效应管和MOS型绝缘栅场效应管的管脚挨次如pmb一3D僧脚结型场效应管绝缘栅场效应管下图所不
六、常用场效用管
1、MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效应管,英文缩写为MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect-Transistor)属于绝缘栅型其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层,因此具有很高的输入电阻(最高可达1015Q)o它也分N沟道管和P沟道管,符号如图1所示通常是将衬底(基板)与源极S接在一起依据导电方式的不同,MOSFET又分增加型、耗尽型所谓增加型是指当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增加”了该区域的载流子,形成导电沟道耗尽型则是指,当VGS-0时即形成沟道,加上正确的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止以N沟道为例,它是在P型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源集中区N+和漏集中区N+再分别引出源极S和漏极D源极与衬底在内部连通,二者总保持等电位图1(a)符号中的前头方向是从外向里,表示从P型材料-(衬底)指身N型沟道当漏接电源正极,源极接电源负极并使VGS=O时,沟道电流(即漏极电流)ID=0随着VGS渐渐上升,受栅极正电压的吸引,在两个集中区之间就感应出带负电的少数载流子,形成从漏极到源极的N型沟道,当VGS大于管子的开启电压VTN(一般约为+2V)时,N沟道管开头导通,形成漏极电流ID国产N沟道MOSFET的典型产品有3D
01、3D
02、3D04(以上均为单栅管),4D01(双栅管)它们的管脚排列(底视图)见图2MOS场效应管比较“娇气”这是由于它的输入电阻很高,而栅-源极间电容又特别小,极易受外界电磁场或静电的感应而带电,而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压(U=Q/C)将管子损坏因此了厂时各管脚都绞合在一起,或装在金属箔内,使G极与S极呈等电位,防止积累静电荷管子不用时,全部引线也应短接在测量时应特别当心,并实行相应的防静电感措施MOS场效应管的检测方法.预备工作测量之前,先把人体对地短路后,才能摸触MOSFET的管脚最好在手腕上接一条导线与大地连通,使人体与大地保持等电位再把管脚分开,然后拆掉导线.判定电极将万用表拨于RX100档,首先确定栅极若某脚与其它脚的电阻都是无穷大,证明此脚就是栅极G交换表笔重测显,S-D之间的电阻值应为几百欧至几千欧,其中阻值较小的那一次,黑表笔接的为I)极,红表笔接的是S极日本生产的3SK系列产品,S极与管壳接通,据此很简洁确定S极.检查放大力量(跨导)将G极悬空,黑表笔接D极,红表笔接S极,然后用手指触摸G极,表针应有较大的偏转双栅UOS场效应管有两个栅极Gl、G2为区分之,可用手分别触摸Gl、G2极,其中表针向左侧偏转幅度较大的为G2极目前有的MOSFET管在G-S极间增加了爱护二极管,平常就不需要把各管脚短路了MOS场效应晶体管使用留意事项MOS场效应晶体管在使用时应留意分类,不能随便互换MOS场效应晶体管由于输入阻抗高(包括MOS集成电路)极易被静电击穿,使用时应留意以下规章.MOS器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中,切勿自行任凭拿个塑料袋装也可用细铜线把各个引脚连接在一起,或用锡纸包装.取出的MOS器件不能在塑料板上滑动,应用金属盘来盛放待用器件.焊接用的电烙铁必需良好接地.在焊接前应把电路板的电源线与地线短接,再MOS器件焊接完成后在分开.UOS器件各引脚的焊接挨次是漏极、源极、栅极拆机时挨次相反.电路板在装机之前,要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子,再把电路板接上去.MOS场效应晶体管的栅极在允许条件下,最好接入爱护二极管在检修电路时应留意查证原有的爱护二极管是否损坏
2、VMOS场效应管VMOS场效应管(VMOSFET)简称VMOS管或功率场效应管,其全称为V型槽MOS场效应管它是继MOSFET之后新进展起来的高效、功率开关器件它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高(2108W)、驱动电流小(左右
0.1hA左右),还具有耐压高(最高可耐压1200V)、工作电流大(L5A〜100A)、输出功率高(1〜250W)、跨导的线性好、开关速度快等优良特性正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身,因此在电压放大器(电压放大倍数可达数千倍)、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用众所周知,传统的MOS场效应管的栅极、源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上,其工作电流基本上是沿水平方向流淌VMOS管则不同,从左下图上可以看出其两大结构特点:第一,金属栅极采纳V型槽结构;其次,具有垂直导电性由于漏极是从芯片的背面引出,所以ID不是沿芯片水平流淌,而是自重掺杂N+区(源极S)动身,经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区,最终垂直向下到达漏极Do电流方向如图中箭头所示,由于流通截面积增大,所以能通过大电流由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层,因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管国内生产VMOS场效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等,典型产品有VN
401、VN
672、VMPT2等表1列出六种VMOS管的主要参数其中,IRFPC5O的外型如右上图所示VMOS场效应管的检测方法.判定栅极G将万用表拨至RX1k档分别测量三个管脚之间的电阻若发觉某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大,并且交换表笔后仍为无穷大,则证明此脚为G极,由于它和此外两个管脚是绝缘的.判定源极S、漏极D由图1可见在源-漏之间有一个PN结,因此依据PN结正、反向电阻存在差异,可识别S极与D极用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低(一般为几千欧至十几千欧)的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,红表笔接D极.测量漏-源通态电阻RDS(on)将G-S极短路,选择万用表的RX1档,黑表笔接S极,红表笔接D极,阻值应为儿欧至十几欧由于测试条件不同,测出的RDS(on)值比手册中给出的典型值要高一些例如用500型万用表RX1档实测一只TRFPC50型VMOS管RDS(on)=
3.2W大于
0.58W(典型值).检查跨导将万用表置于RXlk(或RX100)档,红表笔接S极,黑表笔接D极,手持螺丝刀去碰触栅极,表针应有明显偏转,偏转愈大,管子的跨导愈高留意事项VMOS管亦分N沟道管与P沟道管,但绝大多数产品属于N沟道管对于P沟道管,测量时应交换表笔的位置
(2)有少数VMOS管在G-S之间并有爱护二极管,本检测方法中的
1、2项不再适用
(3)目前市场上还有一种VMOS管功率模块,专供沟通电机调速器、逆变器使用例如美国1R公司生产的1RFT001型模块,内部有N沟道、P沟道管各三只,构成三相桥式结构
(4)现在市售VNF系列(N沟道)产品,是美国Supertex公司生产的超高频功率场效应管,其最高工作频率fp=l20MHzTDSM=1APDM=30W共源小信号低频跨导gm=2000uS适用于高速开关电路和广播、通信设施中
(5)使用VMOS管时必需加合适的散热器后以VNF306为例,该管子加装140X140X4(mm)的散热器后,最大功率才能达到30W
七、场效应管与晶体管的比较
(1)场效应管是电压掌握元件,而晶体管是电流掌握元件在只允许从信号源取较少电流的状况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管
(2)场效应管是采用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也采用少数载流子导电被称之为双极型器件
(3)有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,敏捷性比晶体管好
(4)场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很便利地把许多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。