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1、项目3 场效应管及其应用,【知识目标】 （1）了解场效应管的种类、特点与标识方法。 （2）了解场效应管的主要参数。 （3）了解场效应管的主要用途。 【技能目标】 （1）能用目视法判断识别常见场效应管的种类，能正确叫出各种场效应管的名称。 （2）对场效应管上标识的型号能正确识读，知晓该场效应管的特点和用途。 （3）会用万用表对各种场效应管进行正确测量，并对其质量做出评价。,晶体三极管是一种电流控制型元件，当它工作在放大状态时，必须给基极提供一定的基极电流，需要从信号源中吸取电流。这对于有一定内阻且信号又比较微弱的信号源来说，信号电压在内阻上的损耗太大，其输出电压就更小，以至于不能被放大器有效的接
2、收到。从器件本身来看，就是其输入电阻太小。 上世纪六十年代，科学家研制出另一种三端半导体器件，叫做场效应晶体管，简称为场效应管。它是一种电压控制型器件，利用改变外加电场的强弱来控制半导体材料的导电能力。场效应管的输入电阻极高（最高可达1015），几乎不吸取信号源电流。它还具有热稳定性好、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单、便于集成等优点，因此在电子电路中得到了广泛的应用。 常见场效应管的实物外形和电路符号如图3.1所示,图3.1常见场效应管的实物外形,3.1场效应管的类型和结构,3.1.1.绝缘栅型场效应管 绝缘栅型场效应管的结构是金属氧化物半导体，简称为MOS管。MOS管又分N沟道和P沟道两
3、种，每一种又分为增强型和耗尽型两种类型。 1. N沟道增强型绝缘栅型场效应管的结构、符号和工作原理 N沟道增强型MOS晶体管的结构如图3.11(a)所示，它的三个电极分别叫做源极、漏极和栅极。在P型硅薄片（作衬底）上制成两个掺杂浓度高的N区（用N+表示），用铝电极引出作为源极S和漏极D，两极之间的区域叫做沟道，漏极电流经此沟道流到源极。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅绝缘层，再在二氧化硅表面上引出一个电极叫做栅极G。栅极同源极、漏极均无电接触，故称作“绝缘栅极”。通常在衬底上也引出一个电极，将之与源极相连。,图3.1 绝缘栅型场效应管的结构和符号,3.1.2结型场效应管 1. 结型场效应
4、管的结构、符号和工作原理 结型场效应管也分成N沟道和P沟道两种类型。N沟道结型场效应管的结构和符号如图3.6(a)和图3.6(b)所示。它是用一块N型半导体作衬底，在其两侧做成两个杂质浓度很高的P型区，形成两个PN结。从两边的P型区引出两个电极并在一起，成为栅极G；在N型衬底的两端各引出一个电极，分别叫做漏极D和源极S。两个PN结中间的N型区域，叫做导电沟道，它是漏极和源极之间的电流通道。 如果用P型半导体做衬底，则可构成P沟道结型场效应管，其符号如图3.6(c)所示。N沟道和P沟道结型场效应管符号上的区别，在于栅极的箭头指向不同，但都是由P区指向N区。,图3.6 N沟道结型场效应管的结构和符
5、号,N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，下面我们以N沟道结型场效应管为例进行分析。 研究场效应管主要是分析输入电压对输出电流的控制作用。在图3.7中给出了当漏极和源极之间的电压UDS=0时，栅源电压UGS对导电沟道影响的示意图。,图3.7栅源电压UGS对导电沟道影响的示意图,2.N沟道结型场效应管的特性曲线 栅源电压对漏极电流的控制关系用转移特性曲线表示出来，如图3.8所示。,转移特性是指在漏极和源极电压UDS一定时，漏极电流ID和栅源电压UGS的关系。UGS=0时的ID，叫做栅源短路时漏极电流，用IDSS表示；使漏极电流ID0时的栅源电压就是夹断电压UGS（OFF）。,图3.8 栅
6、源电压对漏极电流的转移特性曲线,图3.9是N沟道结型场效应管的输出特性。它是指在栅源电压一定时，漏极电流和漏源电压UDS之间的关系。它分成可变电阻区、恒流区和击穿区。,图3.9 N沟道结型场效应管的输出特性,3.2场效应管的检测方法,3.2.1 VMOS管的测量 1. VMOS管（VMOSFET） V绝缘栅型场效应管简称VMOS管或功率场效应管，其全称为V型槽绝缘栅型场效应管。其结构如图3.10所示。,图3.10 V绝缘栅型场效应管的结构,它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了绝缘栅型场效应管输入阻抗高（108）、驱动电流小（0.1A左右），还具有耐压高（最高可耐压
7、1200V）、工作电流大（1.5A100A）、输出功率高（1250W）、跨导线性好、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。,2. VMOS管的检测方法 （1）判定栅极G 将万用表拨至R1k档，分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其余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和漏极D V绝缘栅型场效应管的源-漏极之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻的差异，可识别S极与D极。用交换表笔法测两次电阻
8、，其中电阻值较低（一般为几千欧至十几千欧）的一次，此时黑表笔接的是S极，红表笔接的是D极。 （3）测量漏-源通态电阻RDS（on） 将 V绝缘栅型场效应管的G-S极短路，选择万用表的R1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R1档实测一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2 ，大于其典型值0.58 。 （4）检查 V绝缘栅型场效应管的跨导 将万用表置于R1k（或R100）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。 3关于
9、V绝缘栅型场效应管的几个问题 （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之间并联一只保护二极管，所以上述检测方法中的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和逆变器使用。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=2000
10、S。适用 于高速开关电路、广播和通信设备中。 （5）使用VMOS管时，必须加合适的散热器。以VNF306为例，该管子加装1401404（mm）的散热器后，其最大功率才能达到30W。,3.2.2绝缘栅型场效应管(MOSFET)的测量 绝缘栅型场效应管除了放大能力稍弱之外，在导通电阻、开关速度、噪声及抗干扰能力等参数方面，都比双极型三极管均有着明显的优势。绝缘栅型场效应管能在很小的电流和很低德电压条件下工作，而且它的制造工艺简单，可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此绝缘栅型场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。 1. 使用绝缘栅型场效应管时必须注意的安全防护措施 由于绝缘栅型场效
11、应管的输入阻抗极高，其栅极只要有微量感应电荷产生的电势，就足以击穿其绝缘层而造成器件的损坏。所以对于绝缘栅型场效应管的存放和使用，需要采取一些防护措施。 （1）存放和运输时的防护 绝缘栅型场效应管在运输和贮藏中必须将其引出脚短路，可以用金属导线将器件的三只管脚捆扎起来，如图3.11所示。待场效应管焊接到电路板上之后再剪去捆扎线。存放时要用金属盒屏蔽包装，以防止外来感应电势将栅极击穿。千万不能将绝缘栅型场效应管放人塑料盒子内。,图3.11 绝缘栅型场效应管各个电极的短路存放,（2）工作设施要良好接地 在工作过程中，要求一切测试仪器、工作台、电烙铁、线路本身都必须有良好的接地。从元器件架上取管时，
12、应以适当的方式确保人体接地如采用接地环等。 （3）焊接时要注意管脚顺序 在焊接绝缘栅型场效应管时，要按源极漏极栅极的先后顺序焊接。焊接时，可用25W得电烙铁进行焊接，电烙铁的外壳必须装有接地线，以防止由于电烙铁带电而损坏管子， 最好将电烙铁的电源断开后利用余热进行焊接。焊接时如果能采用先进的气热型电烙铁是最安全的。 （4）不允许带电操作 在未关断电源时，绝对不可以把场效应管插人电路或从电路中拔出。 （5）安装场效应管时需要注意的问题 在安装场效应管时，注意安装的位置要尽量避免靠近发热元件；为了防止管件振动，有必要将管壳体紧固起来；管脚引线在弯曲时，应当在大于根部尺寸5毫米处进行，以防止弯断管脚
13、和引起漏气等。 （6）功率型场效应管的散热问题 对于功率型场效应管，要有良好的散热条件。因为功率型场效应管在高负荷条件下运用，会产生大量的热量，必须按照要求设计适合的散热器，确保壳体温度不超过额定值，使器件长期稳定可靠地工作。,2. 一般绝缘栅型场效应管的测量方法 （1）准备工作 测量之前，先把人体对地短路一下，最好在手腕上接一条导线与大地始终保持连通，使人体与大地保持等电位。然后再把绝缘栅型场效应管的管脚分开，拆掉短路导线。 （2）判定栅极 将万用表拨至R1k档，分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其余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
14、是绝缘的。 （3）判定源极S和漏极D 绝缘栅型场效应管的源-漏极之间有一个PN结，因此根据PN结正、反向电阻的差异，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，此时黑表笔接的是S极，红表笔接的是D极。 （4）测量漏-源通态电阻RDS（on） 将绝缘栅型场效应管的G-S极短路，选择万用表的R1档，黑表笔接S极，红表笔接D极，阻值应为几欧至十几欧。 （5）检查绝缘栅型场效应管的跨导 将万用表置于R1k（或R100）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。,3.特殊绝缘栅型场效应管的测量方法 目前
15、市场上销售的绝缘栅型场效应管的种类和封装很多，其中的大多数MOS管，尤其是功率型MOS管，内部集成有完善的保护环节，在g-s极间内置一只保护二极管，所以平时的存放和运输就不需要把各管脚进行短路保护了，使用起来与双极型三极管一样方便。不过，保护单元的存在却又使得MOS管的内部结构变得复杂，测试方法也有所不同。 （1）带有保护环节的NMOS管的测试 NMOS管内部的保护环节有多种类型，这就决定了测量过程存在着多样性，常见带有保护环节的NMOS管的内部结构如图3.12所示。,图3.12 两种带有保护环节的NMOS管内部结构,（2）有电阻的特殊小功率NMOS管的测试 图3.12所示的NMOS管在目前使
16、用较广，带有寄生二极管的典型器件如IRF740、IRF830和PMOS型的IRF9630等。日本产的2SKl548、FS3KMl6A为带有保护二极管的这类NMOS器件的典型代表。此外，还有一类比较特殊的NMOS管，这类NMOS管的栅极G在并联了保护二极管的同时还集成有一只电阻，其结构如图3.15所示。,图3.15 有电阻的特殊小功率NMOS管,4.型号不明的MOS管的测量 对于型号不明的MOS管，通过检测其单向导电性往往只能判断出其中哪一只管脚为栅极，而不能直接识别管子的极性和D、S极。对此，合理的测试方法如下： （1）万用表取R1k挡，在观察到单向导电性之后，判断出其中哪一只管脚为栅极，然后交换两只表笔的位置。 （2）将万用表切换至R10k挡，保持黑笔不动，将红笔移到栅极G停留几秒后再回到原位，若指针出现满偏，则该元件为PMOS管，且黑笔所接管脚为源极S、红笔所接为漏极D； （3）若在第2步表的指针没有发生大幅度偏转，则保持红笔位置不变，将黑笔移到栅极G停留几秒后回到原位，若指针出现满偏，则管
