場(chǎng)效應管工作原理圖

這是該裝置的核心，在介紹該部分工作原理之前，先簡(jiǎn)單解釋一下MOS場(chǎng)效應管工作原理圖。

MOS場(chǎng)效應管也被稱(chēng)為MOSFET， 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金屬氧化物半導體場(chǎng)效應管）的縮寫(xiě)。它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的為增強型MOS 場(chǎng)效應管，其內部結構見(jiàn)圖5。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱(chēng)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(chǎng)效應管其源極和漏極接在N型半導體上，同樣對于P溝道的場(chǎng)效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。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(chǎng)效應管工作原理圖場(chǎng)效應管，其輸出電流是由輸入的電壓（或稱(chēng)電場(chǎng)）控制，可以認為輸入電流極小或沒(méi)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(chēng)之為場(chǎng)效應管的原因。

為解釋MOS

場(chǎng)效應管的工作原理，我們先了解一下僅含有一個(gè)P—N結的二極管的工作過(guò)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端接負極）時(shí)，二極管導通，其PN結有電流通過(guò)。這是因為在P型半導體端為正電壓時(shí)，N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導體端，而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動(dòng)，從而形成導通電流。同理，當二極管加上反向電壓（P端接負極，N端接正極）時(shí)，這時(shí)在P型半導體端為負電壓，正電子被聚集在P型半導體端，負電子則聚集在N型半導體端，電子不移動(dòng)，其PN結沒(méi)有電流通過(guò)，二極管截止。

對于MOS場(chǎng)效應管工作原理圖（見(jiàn)圖7），在柵極沒(méi)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(guò)，此時(shí)場(chǎng)效應管處與截止狀態(tài)（圖7a）。當有一個(gè)正電壓加在N溝道的MOS場(chǎng)效應管柵極上時(shí)，由于電場(chǎng)的作用，此時(shí)N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來(lái)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型半導體中（見(jiàn)圖7b），從而形成電流，使源極和漏極之間導通。我們也可以想像為兩個(gè)N型半導體之間為一條溝，柵極電壓的建立相當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(chǎng)效應管的工作過(guò)程，其工作原理類(lèi)似這里不再重復。

下面簡(jiǎn)述一下用C-MOS場(chǎng)效應管（增強型MOS 場(chǎng)效應管）組成的應用電路的工作過(guò)程（見(jiàn)圖9）。電路將一個(gè)增強型P溝道MOS場(chǎng)效應管和一個(gè)增強型N溝道MOS場(chǎng)效應管組合在一起使用。當輸入端為低電平時(shí)，P溝道MOS場(chǎng)效應管導通，輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時(shí)，N溝道MOS場(chǎng)效應管導通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場(chǎng)效應管和N溝道MOS場(chǎng)效應管工作原理圖MOS場(chǎng)效應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(guò)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(méi)有到0V，通常在柵極電壓小于1到2V時(shí)，MOS場(chǎng)效應管既被關(guān)斷。不同場(chǎng)效應管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因為如此，使得該電路不會(huì )因為兩管同時(shí)導通而造成電源短路。

場(chǎng)效應管三個(gè)極

效應管是只有一種載流子參與導電，用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結型場(chǎng)效應三極管JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場(chǎng)效應三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱(chēng)金屬-氧化物-半導體三極管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。MOS場(chǎng)效應管有增強型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗盡型(Depletion)MOS或DMOS）兩大類(lèi)，每一類(lèi)有N溝道和P溝道兩種導電類(lèi)型。

場(chǎng)效應管有三個(gè)電極：

D(Drain) 稱(chēng)為漏極，相當雙極型三極管的集電極；

G(Gate) 稱(chēng)為柵極，相當于雙極型三極管的基極；

S(Source) 稱(chēng)為源極，相當于雙極型三極管的發(fā)射極。

增強型MOS場(chǎng)效應管

道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱(chēng)的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個(gè)高摻雜的N型區，從N型區引出電極，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型半導體稱(chēng)為襯底(substrat)，用符號B表示。

工作原理

1．溝道形成原理

當Vgs=0 V時(shí)，漏源之間相當兩個(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。

當柵極加有電壓時(shí)，若0＜Vgs＜Vgs(th)時(shí)（VGS(th) 稱(chēng)為開(kāi)啟電壓），通過(guò)柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動(dòng)，但數量有限，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Vgs＞Vgs(th)時(shí)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近柵極下方的P型半導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電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反，故稱(chēng)為反型層（inversion layer）。隨著(zhù)Vgs的繼續增加，ID將不斷增加。

在Vgs=0V時(shí)ID=0，只有當Vgs＞Vgs(th)后才會(huì )出現漏極電流，這種MOS管稱(chēng)為增強型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(xiàn)描述，稱(chēng)為轉移特性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖。

轉移特性曲線(xiàn)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(chēng)為跨導。

跨導的定義式如下：

gm=△ID/△VGS|(單位mS)

2． Vds對溝道導電能力的控制

當Vgs＞Vgs(th)，且固定為某一值時(shí)，來(lái)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。

根據此圖可以有如下關(guān)系:

VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGS

VGD=VGS—VDS

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

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

當VDS增加到 VGD

當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(xiàn)如圖所示。

這一曲線(xiàn)稱(chēng)為漏極輸出特性曲線(xiàn)。

伏安特性

1． 非飽和區

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

2．飽和區

飽和區(Saturation Region)又稱(chēng)放大區，是溝道預夾斷后所對應的工作區。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達式：

在這個(gè)工作區內，ID受VGS控制?？紤]厄爾利效應的ID表達式：

3．截止區和亞閾區

VGS

4．擊穿區

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

場(chǎng)效應管的主要參數

① 開(kāi)啟電壓VGS(th) (或VT)

開(kāi)啟電壓是MOS增強型管的參數，柵源電壓小于開(kāi)啟電壓的絕對值，場(chǎng)效應管不能導通。

② 夾斷電壓VGS(off) (或VP)

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

③ 飽和漏極電流IDSS

耗盡型場(chǎng)效應三極管，當VGS=0時(shí)所對應的漏極電流。

④ 輸入電阻RGS

場(chǎng)效應三極管的柵源輸入電阻的典型值，對于結型場(chǎng)效應三極管，反偏時(shí)RGS約大于107Ω，對于絕緣柵場(chǎng)型效應三極管，RGS約是109～1015Ω。

⑤ 低頻跨導gm

低頻跨導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可以在轉移特性曲線(xiàn)上求取，單位是mS(毫西門(mén)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

定性判斷MOS型場(chǎng)效應管的好壞

先用萬(wàn)用表R×10kΩ擋(內置有9V或15V電池)，把負表筆(黑)接柵極(G)，正表筆(紅)接源極(S)。給柵、源極之間充電，此時(shí)萬(wàn)用表指針有輕微偏轉。再改用萬(wàn)用表R×1Ω擋，將負表筆接漏極(D)，正筆接源極(S)，萬(wàn)用表指示值若為幾歐姆，則說(shuō)明場(chǎng)效應管是好的。

定性判斷結型場(chǎng)效應管的電極

將萬(wàn)用表?yè)苤罵×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(guān)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，即說(shuō)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，并且跨導很高，當柵極開(kāi)路時(shí)空間電磁場(chǎng)很容易在柵極上感應出電壓信號，使管子趨于截止，或趨于導通。若將人體感應電壓直接加在柵極上，由于輸入干擾信號較強，上述現象會(huì )更加明顯。如表針向左側大幅度偏轉，就意味著(zhù)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，表針向右側大幅度偏轉，說(shuō)明管子趨向導通，RDS↓，IDS↑。但表針究竟向哪個(gè)方向偏轉，應視感應電壓的極性(正向電壓或反向電壓)及管子的工作點(diǎn)而定。

注意事項：

(1)試驗表明，當兩手與D、S極絕緣，只摸柵極時(shí)，表針一般向左偏轉。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(guān)察到表針向右偏轉的情形。其原因是人體幾個(gè)部位和電阻對場(chǎng)效應管起到偏置作用，使之進(jìn)入飽和區。

(2)也可以用舌尖舔住柵極，現象同上。

晶體三極管管腳判別

三極管是由管芯(兩個(gè)PN結)、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(jiàn)的三極管是硅平面管，又分PNP和NPN型兩類(lèi)?，F在鍺合金管已經(jīng)少見(jiàn)了。

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