場效應(yīng)管工作原理圖

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(yīng)管工作原理圖。

MOS場效應(yīng)管也被稱為MOSFET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管）的縮寫。它一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種。本文使用的為增強(qiáng)型MOS 場效應(yīng)管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)管其源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，同樣對于P溝道的場效應(yīng)管其源極和漏極則接在P型半導(dǎo)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MOS場效應(yīng)管工作原理圖場效應(yīng)管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱電場）控制，可以認(rèn)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(shí)這也是我們稱之為場效應(yīng)管的原因。

為解釋MOS

場效應(yīng)管的工作原理，我們先了解一下僅含有一個(gè)P—N結(jié)的二極管的工作過程。如圖所示，我們知道在二極管加上正向電壓（P端接正極，N端接負(fù)極）時(shí)，二極管導(dǎo)通，其PN結(jié)有電流通過。這是因?yàn)樵赑型半導(dǎo)體端為正電壓時(shí)，N型半導(dǎo)體內(nèi)的負(fù)電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導(dǎo)體端，而P型半導(dǎo)體端內(nèi)的正電子則朝N型半導(dǎo)體端運(yùn)動(dòng)，從而形成導(dǎo)通電流。同理，當(dāng)二極管加上反向電壓（P端接負(fù)極，N端接正極）時(shí)，這時(shí)在P型半導(dǎo)體端為負(fù)電壓，正電子被聚集在P型半導(dǎo)體端，負(fù)電子則聚集在N型半導(dǎo)體端，電子不移動(dòng)，其PN結(jié)沒有電流通過，二極管截止。

對于MOS場效應(yīng)管工作原理圖（見圖7），在柵極沒有電壓時(shí)，由前面分析可知，在源極與漏極之間不會(huì)有電流流過，此時(shí)場效應(yīng)管處與截止?fàn)顟B(tài)（圖7a）。當(dāng)有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場效應(yīng)管柵極上時(shí)，由于電場的作用，此時(shí)N型半導(dǎo)體的源極和漏極的負(fù)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(gè)N溝道之間的P型半導(dǎo)體中（見圖7b），從而形成電流，使源極和漏極之間導(dǎo)通。我們也可以想像為兩個(gè)N型半導(dǎo)體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當(dāng)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(yīng)管的工作過程，其工作原理類似這里不再重復(fù)。

下面簡述一下用C-MOS場效應(yīng)管（增強(qiáng)型MOS 場效應(yīng)管）組成的應(yīng)用電路的工作過程（見圖9）。電路將一個(gè)增強(qiáng)型P溝道MOS場效應(yīng)管和一個(gè)增強(qiáng)型N溝道MOS場效應(yīng)管組合在一起使用。當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，P溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道MOS場效應(yīng)管工作原理圖MOS場效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)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(shí)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(shí)，MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱耍沟迷撾娐凡粫?huì)因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。

場效應(yīng)管三個(gè)極

效應(yīng)管是只有一種載流子參與導(dǎo)電，用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體三極管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。MOS場效應(yīng)管有增強(qiáng)型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗盡型(Depletion)MOS或DMOS）兩大類，每一類有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電類型。

場效應(yīng)管有三個(gè)電極：

D(Drain) 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；

G(Gate) 稱為柵極，相當(dāng)于雙極型三極管的基極；

S(Source) 稱為源極，相當(dāng)于雙極型三極管的發(fā)射極。

增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管

道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極 G。P型半導(dǎo)體稱為襯底(substrat)，用符號B表示。

工作原理

1．溝道形成原理

當(dāng)Vgs=0 V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不會(huì)在D、S間形成電流。

當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0＜Vgs＜Vgs(th)時(shí)（VGS(th) 稱為開啟電壓），通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍然不足以形成漏極電流ID。

進(jìn)一步增加Vgs，當(dāng)Vgs＞Vgs(th)時(shí)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層（inversion layer）。隨著Vgs的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。

在Vgs=0V時(shí)ID=0，只有當(dāng)Vgs＞Vgs(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。

VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用iD=f(vGS)|VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖。

轉(zhuǎn)移特性曲線斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)。

跨導(dǎo)的定義式如下：

gm=△ID/△VGS|(單位mS)

2． Vds對溝道導(dǎo)電能力的控制

當(dāng)Vgs＞Vgs(th)，且固定為某一值時(shí)，來分析漏源電壓Vds對漏極電流ID的影響。Vds的不同變化對溝道的影響如圖所示。

根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系:

VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGS

VGD=VGS—VDS

當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGD＞VGS(th)，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達(dá)到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。

當(dāng)VDS 增加到使VGD=VGS(th)時(shí)，相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，此時(shí)的漏極電流ID基本飽和。

當(dāng)VDS增加到 VGD

當(dāng)VGS＞VGS(th)，且固定為某一值時(shí)，VDS對ID的影響，即iD=f(vDS)|VGS=const這一關(guān)系曲線如圖所示。

這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。

伏安特性

1． 非飽和區(qū)

非飽和區(qū)（Nonsaturation Region）又稱可變電阻區(qū)，是溝道未被預(yù)夾斷的工作區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS

2．飽和區(qū)

飽和區(qū)(Saturation Region)又稱放大區(qū)，是溝道預(yù)夾斷后所對應(yīng)的工作區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達(dá)式：

在這個(gè)工作區(qū)內(nèi)，ID受VGS控制?？紤]厄爾利效應(yīng)的ID表達(dá)式：

3．截止區(qū)和亞閾區(qū)

VGS

4．擊穿區(qū)

當(dāng)VDS 增大到足以使漏區(qū)與襯底間PN結(jié)引發(fā)雪崩擊穿時(shí)，ID迅速增加，管子進(jìn)入擊穿區(qū)。

場效應(yīng)管的主要參數(shù)

① 開啟電壓VGS(th) (或VT)

開啟電壓是MOS增強(qiáng)型管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值，場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。

② 夾斷電壓VGS(off) (或VP)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數(shù)，當(dāng)VGS=VGS(off) 時(shí)，漏極電流為零。

③ 飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應(yīng)三極管，當(dāng)VGS=0時(shí)所對應(yīng)的漏極電流。

④ 輸入電阻RGS

場效應(yīng)三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結(jié)型場效應(yīng)三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，對于絕緣柵場型效應(yīng)三極管，RGS約是109～1015Ω。

⑤ 低頻跨導(dǎo)gm

低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用，這一點(diǎn)與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

⑥ 最大漏極功耗PDM

最大漏極功耗可由PDM=VDS ID決定，與雙極型三極管的PCM相當(dāng)

定性判斷MOS型場效應(yīng)管的好壞

先用萬用表R×10kΩ擋(內(nèi)置有9V或15V電池)，把負(fù)表筆(黑)接?xùn)艠O(G)，正表筆(紅)接源極(S)。給柵、源極之間充電，此時(shí)萬用表指針有輕微偏轉(zhuǎn)。再改用萬用表R×1Ω擋，將負(fù)表筆接漏極(D)，正筆接源極(S)，萬用表指示值若為幾歐姆，則說明場效應(yīng)管是好的。

定性判斷結(jié)型場效應(yīng)管的電極

將萬用表撥至R×100檔，紅表筆任意接一個(gè)腳管，黑表筆則接另一個(gè)腳管，使第三腳懸空。若發(fā)現(xiàn)表針有輕微擺動(dòng)，就證明第三腳為柵極。欲獲得更明顯的觀察效果，還可利用人體靠近或者用手指觸摸懸空腳，只要看到表針作大幅度偏轉(zhuǎn)，即說明懸空腳是柵極，其余二腳分別是源極和漏極。

判斷理由：

JFET的輸入電阻大于100MΩ，并且跨導(dǎo)很高，當(dāng)柵極開路時(shí)空間電磁場很容易在柵極上感應(yīng)出電壓信號，使管子趨于截止，或趨于導(dǎo)通。若將人體感應(yīng)電壓直接加在柵極上，由于輸入干擾信號較強(qiáng)，上述現(xiàn)象會(huì)更加明顯。如表針向左側(cè)大幅度偏轉(zhuǎn)，就意味著管子趨于截止，漏-源極間電阻RDS增大，漏-源極間電流減小IDS。反之，表針向右側(cè)大幅度偏轉(zhuǎn)，說明管子趨向?qū)?，RDS↓，IDS↑。但表針究竟向哪個(gè)方向偏轉(zhuǎn)，應(yīng)視感應(yīng)電壓的極性(正向電壓或反向電壓)及管子的工作點(diǎn)而定。

注意事項(xiàng)：

(1)試驗(yàn)表明，當(dāng)兩手與D、S極絕緣，只摸柵極時(shí)，表針一般向左偏轉(zhuǎn)。但是，如果兩手分別接觸D、S極，并且用手指摸住柵極時(shí)，有可能觀察到表針向右偏轉(zhuǎn)的情形。其原因是人體幾個(gè)部位和電阻對場效應(yīng)管起到偏置作用，使之進(jìn)入飽和區(qū)。

(2)也可以用舌尖舔住柵極，現(xiàn)象同上。

晶體三極管管腳判別

三極管是由管芯(兩個(gè)PN結(jié))、三個(gè)電極和管殼組成，三個(gè)電極分別叫集電極c、發(fā)射極e和基極b，目前常見的三極管是硅平面管，又分PNP和NPN型兩類?，F(xiàn)在鍺合金管已經(jīng)少見了。

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