場效應(yīng)管百科知識

　　
場效應(yīng)管
　　根據(jù)三極管的原理開發(fā)出的新一代放大元件，有3個極性，柵極，漏極，源極，它的特點是柵極的內(nèi)阻極高，采用二氧化硅材料的可以達到幾百兆歐，屬于電壓控制型器件。
[編輯本段]1.概念:
　　場效應(yīng)管場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應(yīng)管.由多數(shù)載流子參與導電,也稱為單極型晶體管.它屬于電壓控制型半導體器件.
　　特點:
　　具有輸入電阻高（100000000～1000000000Ω）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)?、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者.
　　作用:
　　場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大.由于場效應(yīng)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.
　　場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān).
　　場效應(yīng)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.場效應(yīng)管可以用作可變電阻.場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源.
[編輯本段]2.場效應(yīng)管的分類:
　　場效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型(MOS)兩大類
　　按溝道材料:結(jié)型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種.
　　按導電方式:耗盡型與增強型,結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型,絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的,也有增強型的。
　　場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管,而MOS場效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強型;P溝耗盡型和增強型四大類.
3.場效應(yīng)管的主要參數(shù) :
　　
　　Idss — 飽和漏源電流.是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中,柵極電壓UGS=0時的漏源電流.
　　Up — 夾斷電壓.是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管中,使漏源間剛截止時的柵極電壓.
　　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.
　　gM — 跨導.是表示柵源電壓UGS — 對漏極電流ID的控制能力,即漏極電流ID變化量與柵源電壓UGS變化量的比值.gM 是衡量場效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù).
　　BVDS — 漏源擊穿電壓.是指柵源電壓UGS一定時,場效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓.這是一項極限參數(shù),加在場效應(yīng)管上的工作電壓必須小于BVDS.
　　PDSM — 最大耗散功率,也是一項極限參數(shù),是指場效應(yīng)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(yīng)管實際功耗應(yīng)小于PDSM并留有一定余量.
　　IDSM — 最大漏源電流.是一項極限參數(shù),是指場效應(yīng)管正常工作時,漏源間所允許通過的最大電流.場效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過IDSM
　　Cds---漏-源電容
　　Cdu---漏-襯底電容
　　Cgd---柵-漏電容
　　Cgs---漏-源電容
　　Ciss---柵短路共源輸入電容
　　Coss---柵短路共源輸出電容
　　Crss---柵短路共源反向傳輸電容
　　D---占空比（占空系數(shù)，外電路參數(shù)）
　　di/dt---電流上升率（外電路參數(shù)）
　　dv/dt---電壓上升率（外電路參數(shù)）
　　ID---漏極電流（直流）
　　IDM---漏極脈沖電流
　　ID(on)---通態(tài)漏極電流
　　IDQ---靜態(tài)漏極電流（射頻功率管）
　　IDS---漏源電流
　　IDSM---最大漏源電流
　　IDSS---柵-源短路時，漏極電流
　　IDS(sat)---溝道飽和電流（漏源飽和電流）
　　IG---柵極電流（直流）
　　IGF---正向柵電流
　　IGR---反向柵電流
　　IGDO---源極開路時，截止柵電流
　　IGSO---漏極開路時，截止柵電流
　　IGM---柵極脈沖電流
　　IGP---柵極峰值電流
　　IF---二極管正向電流
　　IGSS---漏極短路時截止柵電流
　　IDSS1---對管第一管漏源飽和電流
　　IDSS2---對管第二管漏源飽和電流
　　Iu---襯底電流
　　Ipr---電流脈沖峰值（外電路參數(shù)）
　　gfs---正向跨導
　　Gp---功率增益
　　Gps---共源極中和高頻功率增益
　　GpG---共柵極中和高頻功率增益
　　GPD---共漏極中和高頻功率增益
　　ggd---柵漏電導
　　gds---漏源電導
　　K---失調(diào)電壓溫度系數(shù)
　　Ku---傳輸系數(shù)
　　L---負載電感（外電路參數(shù)）
　　LD---漏極電感
　　Ls---源極電感
　　rDS---漏源電阻
　　rDS(on)---漏源通態(tài)電阻
　　rDS(of)---漏源斷態(tài)電阻
　　rGD---柵漏電阻
　　rGS---柵源電阻
　　Rg---柵極外接電阻（外電路參數(shù)）
　　RL---負載電阻（外電路參數(shù)）
　　R(th)jc---結(jié)殼熱阻
　　R(th)ja---結(jié)環(huán)熱阻
　　PD---漏極耗散功率
　　PDM---漏極最大允許耗散功率
　　PIN--輸入功率
　　POUT---輸出功率
　　PPK---脈沖功率峰值（外電路參數(shù)）
　　to(on)---開通延遲時間
　　td(off)---關(guān)斷延遲時間
　　ti---上升時間
　　ton---開通時間
　　toff---關(guān)斷時間
　　tf---下降時間
　　trr---反向恢復時間
　　Tj---結(jié)溫
　　Tjm---最大允許結(jié)溫
　　Ta---環(huán)境溫度
　　Tc---管殼溫度
　　Tstg---貯成溫度
　　VDS---漏源電壓（直流）
　　VGS---柵源電壓（直流）
　　VGSF--正向柵源電壓（直流）
　　VGSR---反向柵源電壓（直流）
　　VDD---漏極（直流）電源電壓（外電路參數(shù)）
　　VGG---柵極（直流）電源電壓（外電路參數(shù)）
　　Vss---源極（直流）電源電壓（外電路參數(shù)）
　　VGS(th)---開啟電壓或閥電壓
　　V（BR）DSS---漏源擊穿電壓
　　V（BR）GSS---漏源短路時柵源擊穿電壓
　　VDS(on)---漏源通態(tài)電壓
　　VDS(sat)---漏源飽和電壓
　　VGD---柵漏電壓（直流）
　　Vsu---源襯底電壓（直流）
　　VDu---漏襯底電壓（直流）
　　VGu---柵襯底電壓（直流）
　　Zo---驅(qū)動源內(nèi)阻
　　η---漏極效率（射頻功率管）
　　Vn---噪聲電壓
　　aID---漏極電流溫度系數(shù)
　　ards---漏源電阻溫度系數(shù)
4.結(jié)型場效應(yīng)管的管腳識別:
　　
　　判定柵極G:將萬用表撥至R×1k檔,用萬用表的負極任意接一電極,另一只表筆依次去接觸其余的兩個極,測其電阻.若兩次測得的電阻值近似相等,則負表筆所接觸的為柵極,另外兩電極為漏極和源極.漏極和源極互換,若兩次測出的電阻都很大,則為N溝道;若兩次測得的阻值都很小,則為P溝道.
　　判定源極S、漏極D:
　　在源-漏之間有一個PN結(jié),因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻存在差異,可識別S極與D極.用交換表筆法測兩次電阻,其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻,此時黑表筆的是S極,紅表筆接D極.
5.場效應(yīng)管與晶體三極管的比較
　　場效應(yīng)管是電壓控制元件,而晶體管是電流控制元件.在只允許從信號源取較少電流的情況下,應(yīng)選用場效應(yīng)管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應(yīng)選用晶體管.
　　晶體三極管與場效應(yīng)管工作原理完全不同，但是各極可以近似對應(yīng)以便于理解和設(shè)計：
　　晶體管： 基極 發(fā)射極 集電極
　　場效應(yīng)管 ： 柵極 源極 漏極
　　要注意的是，晶體管(NPN型)設(shè)計發(fā)射極電位比基極電位低(約0.6V)，場效應(yīng)管源極電位比柵極電位高（約0.4V)。
　　場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導電,所以稱之為單極型器件,而晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導電,被稱之為雙極型器件.
　　有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負,靈活性比晶體管好.
　　場效應(yīng)管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應(yīng)管集成在一塊硅片上,因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用.
　　一、場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理及特性 場效應(yīng)管有結(jié)型和絕緣柵兩種結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)又有N溝道和P溝道兩種導電溝道。
　　1、結(jié)型場效應(yīng)管（JFET）
　　（1）結(jié)構(gòu)原理 它的結(jié)構(gòu)及符號見圖1。在N型硅棒兩端引出漏極D和源極S兩個電極，又在硅棒的兩側(cè)各做一個P區(qū)，形成兩個PN結(jié)。在P區(qū)引出電極并連接起來，稱為柵極Go這樣就構(gòu)成了N型溝道的場效應(yīng)管
　　圖1、N溝道結(jié)構(gòu)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及符號
　　由于PN結(jié)中的載流子已經(jīng)耗盡，故PN基本上是不導電的，形成了所謂耗盡區(qū)，從圖1中可見，當漏極電源電壓ED一定時，如果柵極電壓越負，PN結(jié)交界面所形成的耗盡區(qū)就越厚，則漏、源極之間導電的溝道越窄，漏極電流ID就愈??；反之，如果柵極電壓沒有那么負，則溝道變寬，ID變大，所以用柵極電壓EG可以控制漏極電流ID的變化，就是說，場效應(yīng)管是電壓控制元件。
　　（2）特性曲線
　　1）轉(zhuǎn)移特性
　　圖2（a）給出了N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的柵壓---漏流特性曲線，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，它和電子管的動態(tài)特性曲線非常相似，當柵極電壓VGS=0時的漏源電流。用IDSS表示。VGS變負時，ID逐漸減小。ID接近于零的柵極電壓稱為夾斷電壓，用VP表示，在0≥VGS≥VP的區(qū)段內(nèi)，ID與VGS的關(guān)系可近似表示為：
　　ID=IDSS（1-|VGS/VP|）
　　其跨導gm為：gm=（△ID/△VGS）|VDS=常微（微歐）|
　　式中：△ID------漏極電流增量（微安）
　　------△VGS-----柵源電壓增量（伏）
　　圖2、結(jié)型場效應(yīng)管特性曲線
　　2）漏極特性（輸出特性）
　　圖2(b)給出了場效應(yīng)管的漏極特性曲線，它和晶體三極管的輸出特性曲線 很相似。
　　①可變電阻區(qū)（圖中I區(qū)）在I區(qū)里VDS比較小，溝通電阻隨柵壓VGS而改變，故稱為可變電阻區(qū)。當柵壓一定時，溝通電阻為定值，ID隨VDS近似線性增大，當VGS＜VP時，漏源極間電阻很大（關(guān)斷）。IP=0；當VGS=0時，漏源極間電阻很?。▽ǎ琁D=IDSS。這一特性使場效應(yīng)管具有開關(guān)作用。
　　②恒流區(qū)（區(qū)中II區(qū)）當漏極電壓VDS繼續(xù)增大到VDS＞|VP|時，漏極電流，IP達到了飽和值后基本保持不變，這一區(qū)稱為恒流區(qū)或飽和區(qū)，在這里，對于不同的VGS漏極特性曲線近似平行線，即ID與VGS成線性關(guān)系，故又稱線性放大區(qū)。
　?、蹞舸﹨^(qū)（圖中Ⅲ區(qū)）如果VDS繼續(xù)增加，以至超過了PN結(jié)所能承受的電壓而被擊穿，漏極電流ID突然增大，若不加限制措施，管子就會燒壞。
　　2、絕緣柵場效應(yīng)管
　　它是由金屬、氧化物和半導體所組成，所以又稱為金屬---氧化物---半導體場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管。
　　（1）結(jié)構(gòu)原理
　　它的結(jié)構(gòu)、電極及符號見圖3所示，以一塊P型薄硅片作為襯底，在它上面擴散兩個高雜質(zhì)的N型區(qū)，作為源極S和漏極D。在硅片表覆蓋一層絕緣物，然后再用金屬鋁引出一個電極G（柵極）由于柵極與其它電極絕緣，所以稱為絕緣柵場面效應(yīng)管。
　　圖3、N溝道（耗盡型）絕緣柵場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)及符號
　　在制造管子時，通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負電荷，這些負電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導電溝道，即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。
　　場效應(yīng)管的式作方式有兩種：當柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗散型，當柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流的稱為增強型。
　?。?）特性曲線
　　1）轉(zhuǎn)移特性（柵壓----漏流特性）
　　圖4（a）給出了N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移行性曲線，圖中Vp為夾斷電壓（柵源截止電壓）；IDSS為飽和漏電流。
　　圖4（b）給出了N溝道增強型絕緣柵場效管的轉(zhuǎn)移特性曲線，圖中Vr為開啟電壓，當柵極電壓超過VT時，漏極電流才開始顯著增加。
　　2）漏極特性（輸出特性）
　　圖5（a）給出了N溝道耗盡型絕緣柵場效應(yīng)管的輸出特性曲線。
　　圖5(b)為N溝道增強型絕緣柵場效應(yīng)管的輸出特性曲線 。
　　圖4、N溝道MOS場效管的轉(zhuǎn)移特性曲線
　　圖5、N溝道MOS場效應(yīng)管的輸出特性曲線
　　此外還有N襯底P溝道（見圖1）的場效應(yīng)管，亦分為耗盡型號增強型兩種，
　　各種場效應(yīng)器件的分類，電壓符號和主要伏安特性（轉(zhuǎn)移特性、輸出特性） 二、場效應(yīng)管的主要參數(shù)
　　1、夾斷電壓VP
　　當VDS為某一固定數(shù)值，使IDS等于某一微小電流時，柵極上所加的偏壓VGS就是夾斷電壓VP。
　　2、飽和漏電流IDSS
　　在源、柵極短路條件下，漏源間所加的電壓大于VP時的漏極電流稱為IDSS。
　　3、擊穿電壓BVDS
　　表示漏、源極間所能承受的最大電壓，即漏極飽和電流開始上升進入擊穿區(qū)時對應(yīng)的VDS。
　　4、直流輸入電阻RGS
　　在一定的柵源電壓下，柵、源之間的直流電阻，這一特性有以流過柵極的電流來表示，結(jié)型場效應(yīng)管的RGS可達1000000000歐而絕緣柵場效應(yīng)管的RGS可超過10000000000000歐。
　　5、低頻跨導gm
　　漏極電流的微變量與引起這個變化的柵源電壓微數(shù)變量之比，稱為跨導，即
　　gm= △ID/△VGS
　　它是衡量場效應(yīng)管柵源電壓對漏極電流控制能力的一個參數(shù)，也是衡量放大作用的重要參數(shù)，此參靈敏常以柵源電壓變化1伏時，漏極相應(yīng)變化多少微安（μA/V）或毫安（mA/V）來表示
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　　金屬氧化物半導體場效應(yīng)三極管的基本工作原理是靠半導體表面的電場效應(yīng)，在半導體中感生出導電溝道來進行工作的。當柵 g 電壓vg 增大時， p 型半導體表面的多數(shù)載流子棗空穴減少、耗盡，而電子積累到反型。當表面達到反型時，電子積累層將在 n+ 源區(qū) s 和 n+ 漏區(qū) d 形成導電溝道。當 vds ≠ 0 時，源漏電極有較大的電流ids流過。使半導體表面達到強反型時所需加的柵源電壓稱為閾值電壓vt。當 vgs>vt并取不同數(shù)值時，反型層的導電能力將改變，在的vds下也將產(chǎn)生不同的ids, 實現(xiàn)柵源電壓vgs對源漏電流ids的控制。
　　場效應(yīng)管（fet）是電場效應(yīng)控制電流大小的單極型半導體器件。在其輸入端基本不取電流或電流極小，具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、制造工藝簡單等特點，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中被應(yīng)用。
　　fet和雙極型三極管相類似，電極對應(yīng)關(guān)系是b®g、e®s、c®d；由fet組成的放大電路也和三極管放大電路相類似，三極管放大電路基極回路一個偏置電流(偏流)，而fet放大電路的場效應(yīng)管柵極沒有電流，fet放大電路的柵極回路一個合適的偏置電壓(偏壓)。
　　fet組成的放大電路和三極管放大電路的主要區(qū)別：場效應(yīng)管是電壓控制型器件，靠柵源的電壓變化來控制漏極電流的變化，放大作用以跨導來；三極管是電流控制型器件，靠基極電流的變化來控制集電極電流的變化，放大作用由電流放大倍數(shù)來。
　　場效應(yīng)管放大電路分為共源、共漏、共柵極三種組態(tài)。在分析三種組態(tài)時，可與雙極型三極管的共射、共集、共基對照，體會二者間的相似與區(qū)別之處。