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场效应晶体管

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场效应晶体管(Field Effect Transistor 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与导电,因此称为双极型晶体管,而 FET 仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,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(108~109Ω) 、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。
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πMOS 场效应管、VMOS 功率模块等。按沟道半导体材料的不同,结型和绝缘栅型各分沟道和 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强型。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,也有增强型的。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 场效应晶体管又分为 N 沟耗尽型和增强型;P 沟耗尽型和增强型四大类。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,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 N 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。
三、场效应管的参数
场效应管的参数很多,包括直流参数、交流参数和极限参数,但一般使用时关注以下主要参数:
1、I DSS — 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 U GS=0 时的漏源电流。
2、UP — 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。是指增强型绝缘栅场效管中,使漏源间刚导通时的栅极电压。
4、gM — 跨导。是表示栅源电压 U GS — 对漏极电流 I D 的控制能力,即漏极电流 I D 变化量与栅源电压 UGS 变化量的比值。gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。
5、BUDS — 漏源击穿电压。是指栅源电压 UGS 一定时,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须小于 BUDS。
6、PDSM — 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 PDSM 并留有一定余量。
7、IDSM — 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IDSM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非常适合作阻抗变换。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、场效应管可以方便地用作恒流源。
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发射极和集电极。将万用表置于 R×1k 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 KΩ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,另外一极是屏蔽极(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, 红表笔分别碰触另外两个电极。 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。制造工艺决定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。注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。 因为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,容易将管子损坏。
3、估测场效应管的放大能力
将万用表拨到 R×100 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,可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动很小,说明管子的放大能力较弱;若表针不动, 说明管子已经损坏。由于人体感应的 50Hz 交流电压较高,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摆动,也可能向左摆动。少数的管子 RDS 减小,使表针向右摆动,多数管子的 RDS 增大,表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何,只要能有明显地摆动,就说明管子具有放大能力。本方法也适用于测 MOS 管。为了保护 MOS 场效应管,必须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顺序如下图所示。
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-Semiconductor Field-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 1015Ω) 。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。根据导电方式的不同,MOSFET 又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指: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“增强”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扩散区 N+和漏扩散区 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电,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=0 时,沟道电流(即漏极电流)ID=0。随着 VGS 逐渐升高,受栅极正电压的吸引,在两个扩散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 沟道管开始导通,形成漏极电流 ID。国产 N 沟道 MOSFET 的典型产品有 3DO1、3DO2、3DO4(以上均为单栅管) ,4DO1(双栅管) 。它们的管脚排列(底视图)见图
2。MOS 场效应管比较“娇气”。这是由于它的输入电阻很高,而栅-源极间电容又非常小,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。在测量时应格外小心,并采取相应的防静电感措施。
MOS 场效应管的检测方法
(1) .准备工作
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。
(2) .判定电极
将万用表拨于 R×100 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。交换表笔重测量,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 D 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,据此很容易确定 S 极。
(3) .检查放大能力(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 MOS 场效应管有两个栅极 G1、G2。为区分之,可用手分别触摸 G1、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 极间增加了保护二极管,平时就不需要把各管脚短路了。
MOS 场效应晶体管使用注意事项。
MOS 场效应晶体管在使用时应注意分类,不能随意互换。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,使用时应注意以下规则:
(1). MOS 器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中,切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起,或用锡纸包装
(2).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。
(3). 焊接用的电烙铁必须良好接地。
(4). 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。
(5). MOS 器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。
(6).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。
(7). MOS 场效应晶体管的栅极在允许条件下,最好接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。
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 之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了 MOS 场效应管输入阻抗高(≥108W) 、驱动电流小(左右 0.1μA 左右) ,还具有耐压高(最高可耐压 1200V) 、工作电流大(1.5A~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动。 VMOS管则不同,从左下图上可以看出其两大结构特点:第一,金属栅极采用 V 型槽结构;第二,具有垂直导电性。由于漏极是从芯片的背面引出,所以 ID 不是沿芯片水平流动,而是自重掺杂 N+区(源极 S)出发,经过 P 沟道流入轻掺杂 N-漂移区,最后垂直向下到达漏极 D。电流方向如图中箭头所示,因为流通截面积增大,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 VN401、 VN672、 VMPT2 等。表 1 列出六种 VMOS 管的主要参数。其中,IRFPC50 的外型如右上图所示。
VMOS 场效应管的检测方法
(1) .判定栅极 G
将万用表拨至 R×1k 档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现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,因为它和另外两个管脚是绝缘的。
(2) .判定源极 S、漏极 D
由图 1 可见,在源-漏之间有一个 PN 结,因此根据 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。
(3) .测量漏-源通态电阻 RDS(on)
将 G-S 极短路,选择万用表的 R×1 档,黑表笔接 S 极,红表笔接 D 极,阻值应为几欧至十几欧。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 R×1 档实测一只 IRFPC50 型 VMOS 管,RDS(on)=3.2W,大于 0.58W(典型值) 。
(4) .检查跨导
将万用表置于 R×1k(或 R×100)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。
注意事项:
(1)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 之间并有保护二极管,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,专供交流电机调速器、逆变器使用。例如美国 IR 公司生产的 IRFT001 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=120MHz,IDSM=1A,PDM=30W,共源小信号低频跨导 gm=2000μS。适用于高速开关电路和广播、通信设备中。
(5)使用 VMOS 管时必须加合适的散热器后。以 VNF306 为例,该管子加装 140×140×4(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)场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,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)场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电。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,灵活性比晶体管好。
(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方便地把很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!