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场效应晶体管工作原理图文详解及引脚、参数等介绍-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-08-16 

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什么是场效应晶体管

场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场效应管。主要有两种类型(junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET,简称MOS-FET)。由多数载流子参与导电,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(107~1015Ω)、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。

场效应晶体管(FET)是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称单极型晶体管。FET 英文为Field Effect Transistor,简写成FET。

场效应晶体管特性

一:场效应晶体管是电压掌握机件,它经过VGS(栅源电压)来掌握ID(漏极直流电);

二:场效应晶体管的输出端直流电极小,因而它的输出电阻很大。

三:它是应用少数载流子导热,因而它的量度稳固性较好;

四:它组成的缩小通路的电缩小小系数要小于三极管组成缩小通路的电缩小小系数;

五:场效应晶体管的抗辐照威力强;

六:因为没有具有错杂活动的少子分散惹起的散粒噪音,因为噪音低。

场效应晶体管工作原理图文详解

场效应晶体管,其内部结构见图1。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。由图可看出,对于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控制输出的电流。但对于场效应管,其输出电流是由输入的电压(或称电场)控制,可以认为输入电流极小或没有输入电流,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原因。

场效应晶体管

图1

为解释MOS场效应管工作原理图,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2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。

场效应晶体管

图2

对于场效应管,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。当有一个正电压加在N沟道MOS。

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,就爱见图3。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。

场效应晶体管

图3

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。

场效应晶体管

图4

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4)。工作原理同前所述。

主要参数

场效应晶体管的参数很多,包括直流参数、交流参数和极限参数,但一般使用时只需要关注以下几项主要参数。

①夹断电压(UP)。这是指在规定的漏极电压UDS下,使漏极电流/D(即沟道电流)为零或者小于某一小电流值(例如1μA. 10μA)时,加在栅极上的电压UGS它是结型或耗尽型绝缘栅场效应晶体管的重要参数。

②开启电压(UT)。这是指当漏极电压UDS为某一规定值时,使导电沟道(即漏、源极之间)刚开始导通时的栅极电压UGS它是增强型场效应晶体管的重要参数。当栅极电压UGS小于开启电压坼的绝对值时,场效应晶体管不能导通。:

③饱和漏电流(/DSS)。这是指当栅、源极短路(UGS=0)时,一定的漏极电压UDS(大于夹断电压)所引起的漏极电流/D饱和漏电流反映了零栅压时原始沟道的导电能力,是耗尽型场效应晶体管的重要参数。

④低频跨导(gm),在漏极电压UDS为规定值时,漏极电流变化量△/D与引起这个变化的栅压变化量△UGS的比值,叫跨导(或互导),即gm=△/D/△UGS。gm的常用单位是mS(毫西门子)gm是衡量场效应晶体管栅极电压对漏极电流控制能力强弱的一个参数,也是衡量放大作用的重要参数,与晶体三极管的交流电流放大系数β相似。gm与管子的工作区域有关,漏极电流/D越大,管子的跨导gm也越大。

⑤漏源击穿电压(BUDS)。这是指栅极电压UGS一定时,场效应晶体管正常工作所能承受的最大漏极电压,它相当于普通晶体三极管的集电极一发射极击穿电压V(BR)ceo(即BUceo)。这是一项极限参数,使用时加在场效应晶体管上的工作电压必须小于BUDS。

⑥最大漏源电流( /DSM)。这是指场效应晶体管正常工作时,漏、源极之间所允许通过的最大电流,它相当于普通晶体三极管的/CM场效应晶体管的工作电流不应超过这一极限参数。

⑦最大耗散功率(PDSM)。这是指场效应晶体管性能不变坏时,所允许的最大漏极耗散功率,它相当于普通三极管的Pcm。使用时,场效应晶体管的实际功耗(PD=UDS×/D)应小于这一极限参数,并留有一定余量。

引脚识别

对于下图(a)所示的金属管帽封装的三引脚圆柱状场效应管,其管帽下有一个小凸口,把引脚对着自己,从凸口开始沿顺时针方向数,如果是结型场效应管,依次为源极S、漏极D和栅极G;如果是绝缘栅型场效应管,则依次为D、G和S脚。对于塑料封装的半圆柱状结型场效应管,其3个引线脚呈“一字形”排列,面对标有型号的一面,从左到右依次为S、D、G脚。对于下图(b)所示的金属管帽封装的四引脚绝缘栅型场效应管,其增加的第4引脚有两种可能,如果是普通增强型MOS场效应管,则该脚为“衬底”引脚;如果是双栅MOS管,则该脚为第二栅极引脚。

对于有4个引脚的结型场效应晶体管,其增加的第4脚一般是屏蔽极(使用中接地)。对于大功率场效应晶体管,将管子有字面朝自己、引脚朝下,从左至右其引脚排列顺序基本上都是“G、D、S”,并且散热片接通D极。,当遇到型号、封装和引脚排列不熟悉的场效应晶体管时,就要查阅有关资料或用万用表检测辨认后再接入电路。

场效应晶体管

电路符号

场效应晶体管

其中结型场效应管的图形符号中,竖直线表示能导电的沟道,竖直线顶部的一条直角线表示漏极D,竖直线底部的一条直角线表示源极S,竖直线左面带箭头的直线表示栅极G。同普通晶体三极管一样,箭头指向表示从P型指向N型材料,从箭头指向就可以知道是哪种沟道的结型场效应管,,很显然,图形符号中箭头指向“沟道”,表示是N型沟道结型场效应管;箭头背离“沟道”,表示是P型沟道结型场效应管。由于结型管的源极S和漏极D在制造工艺上是对称的,所以图形符号画法也很对称,表示在实际应用中这两个电极可以对换使用。在绝缘栅型场效应管的图形符号中,栅极G都不带箭头,不与“沟道”竖直线接触,表示管中栅极G与漏极D.源极S是绝缘的,以区别于结型场效应管。将表示沟道结型的“箭头”改画在“沟道”中间表示“衬底”的水平线上,即箭头指向“沟道”,表示是N型沟道绝缘栅型场效应管;箭头背离“沟道”,表示是P型沟道绝缘栅型场效应管。另外,箭头线画的短,表示衬底无引出线;箭头线画的稍长,表示衬底有引出线;箭头线与源极S相连,表示衬底在管子内部已经与源极连接。对于增强型的管子,还将“沟道”线画成3截,表示在零栅压下这种管子是没有导电沟道的,以区别于耗尽型MOS管和结型场效应管。可见,掌握了场效应晶体管的这些图形符号,就等于掌握了场效应晶体管的种类,这对分析电路和正确运用场效应晶体管都很重要。

跟普通晶体三极管一样,以前场效应晶体管的旧图形符号均用圆圈表示外壳,现已废弃不再画出圆圈。不过我们翻阅以前的电路图或图书时,会看到带有圆圈的场效应晶体管图形符号。

场效应晶体管的文字符号与普通晶体三极管的文字符号相同,常用VT(旧符号为BG)或V表示,在电路图中常写在图形符号旁边。若电路图中有多只同类元器件时,按常规就在文字后面或右下角标上数字,以示区别,如VT1、VT2-文字符号的下边,一般标出场效应晶体管的型号。

型号命名

共有两种命名方法。

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P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。


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