场效应管

场效应器的基本结构

　　场效应管按结构可分为结型场效应管（缩写为JFET）和绝缘栅场效应管（缩写为JGFET），从导电方式看，场效应管分为N型沟道型与P型沟道型。绝缘栅型场效应管有增强型和耗尽型两种，而JFET只有耗尽型。

　　一、基本结构

　　场效应管是利用改变电场来控制半导体材料的导电特性，不是像三极管那样用电流控制PN结的电流。因此，场效应管可以工作在极高的频率和较大的功率。此外，场效应管的制作工艺简单，是集成电路的基本单元。

　　场效应管有结型和绝缘栅型两种主要类型。每种类型的场效应管都有栅极g、源极s和漏极d三个工作电极，同时，每种类型的场效应管都有N沟道和P沟道两种导电结构。

　　绝缘栅型场效应管又叫做MOS管。根据在外加电压Vgs=0时是否存在导电沟道，绝缘栅场效应管又可分为上增强型和耗尽型。增强型MOS管在外加电压Vgs=0时不存在导电沟道，而耗尽型MOS的氧化绝缘层中加入了大量的正离子，即使在Vgs=0时也存在导电沟道。

　　N沟道绝缘栅型

　　g为栅极，s为源极，d为漏极，B衬底

　　结型场效应管的结构与绝缘栅场效应管的结构基本相同，主要的区别在于栅极g与通道半导体之间没有绝缘。

　　N沟道和P沟道结型

　　从场效应管的基本结构可以看出，无论是绝缘栅型还是结型，场效应管都是两个背靠背的PN结。电流通路不是由PN结形成的，而是依靠漏极d和源极s之间半导体的导电状态来决定的。

　　二、电路符号

基本特性

　　场效应管与普通晶体管相比具有输入阻抗高、噪声系数小、热稳定性好、动态范围大等优点。它是一种压控器件，有与电子管相似的传输特性，因而在高保真音响设备和集成电路中得到了广泛的应用，其特点有以下一些。

　　1、场效应管具有更好的热稳定性和较大的动态范围。

　　2.场效应管的噪声是非常低的，噪声系数可以做到1dB以下，现在大部分的场效应管的噪声系数为0.5dB左右，这是一般晶体管和电子管难以达到的。

　　3、高输入阻抗容易驱动，输入阻抗随频率的变化比较小。输入结电容小(反馈电容)，输出端负载的变化对输入端影响小，驱动负载能力强，电源利用率高。

　　4.场效应管的输出为输入的2次幂函数，失真度低于晶体管，比胆管略大一些。场效应管的失真多为偶次谐波失真，听感好，高中低频能量分配适当，声音有密度感，低频潜得较深，音场较稳，透明感适中，层次感、解析力和定位感均有较好表现，具有良好的声场空间描绘能力，对音乐细节有很好表现。

　　5.普通晶体管在工作时，由于输入端(发射结)加的是正向偏压，因此输入电阻是很低的，场效应管的输入端(栅极与源极之间)工作时可以施加负偏压即反向偏压，也可以加正向偏压，因此增加了电路设计的变通性和多样性。通常在加反向偏压时，它的输入电阻更高，高达100MΩ以上，场效应管的这一特性弥补了普通晶体管及电子管在某些方面应用的不足。

　　6.场效应管的防辐射能力比普通晶体管提高10倍左右。

　　7.转换速率快，高频特性好。

　　8.场效应管的电压与电流特性曲线与五极电子管输出特性曲线十分相似。

　　场效应管的品种较多，大体上可分为结型场效应管和绝缘栅场效应管两类，且都有N型沟道(电流通道)和P型沟道两种，每种又有增强型和耗尽型共四类。

　　绝缘栅场效应管又称金属(M)氧化物(O)半导体(S)场效应管，简称MOS管。按其内部结构又可分为一般MOS管和VMOS管两种，每种又有N型沟道和P型沟道两种、增强型和耗尽型四类。

　　VMOS场效应管，其全称为V型槽MOS场效应管，是在一般MOS场效应管的基础上发展起来的新型高效功率开关器件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高(大于100MΩ)、驱动电流小(0.1uA左右)，还具有耐压高(1200V)、工作电流大(1.5～100A)、输出功率高(1～250W)、跨导线性好、开关速度快等优良特性。目前已在高速开关、电压放大(电压放大倍数可达数千倍)、射频功放、开关电源和逆变器等电路中得到了广泛应用。由于它兼有电子管和晶体管的优点，用它制作的高保真音频功放，音质温暖甜润而又不失力度，备受爱乐人士青睐，因而在音响领域有着广阔的应用前景。VMOS管和一般MOS管一样，也可分为N型沟道和P型沟道两种、增强型和耗尽型四类，分类特征与一般的MOS管相同。VMOS场效应管还有以下特点。

　　1.输入阻抗高。由于栅源之间是SiO2层，栅源之间的直流电阻基本上就是SiO2绝缘电阻，一般达100MΩ左右，交流输入阻抗基本上就是输入电容的容抗。

　　2.驱动电流小。由于输入阻抗高，VMOS管是一种压控器件，一般有电压就可以驱动，所需的驱动电流极小。

　　3.跨导的线性较好。具有较大的线性放大区域，与电子管的传输特性十分相似。较好的线性就意味着有较低的失真，尤其是具有负的电流温度系数(即在栅极与源极之间电压不变的情况下，导通电流会随管温升高而减小)，故不存在二次击穿所引起的管子损坏现象。因此，VMOS管的并联得到了广泛的应用。

　　4.结电容无变容效应。VMOS管的结电容不随结电压而变化，无一般晶体管结电容的变容效应，可避免由变容效应招致的失真。

　　5.频率特性好。VMOS场效应管的多数载流子运动属于漂移运动，且漂移距离仅1～1.5um，不受晶体管那样的少数载流子基区过渡时间限制，故功率增益随频率变化极小，频率特性好。

　　6.开关速度快。由于没有少数载流子的存储延迟时间，VMOS场效应管的开关速度快，可在20ns内开启或关断几十A 电流。

基本原理

　　要使增强型N沟道场效应管(MOSFET)工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。如图一所示。

　　若先不接VGS(即VGS＝0)，在D与S极之间加一正电压VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷(如图一)。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子(空穴)的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压(或称阈值电压、门限电压)，用符号VT表示(一般规定在ID＝10uA时的VGS作为VT)。当VGS继续增大，负电荷增加，导电沟道扩大，电阻降低，ID也随之增加，并且呈较好线性关系，如图二所示。

此曲线称为转换特性。因此在一定范围内可以认为，改变VGS来控制漏源之间的电阻，达到控制ID的作用。

　　由于这种结构在VGS＝0时，ID＝0，称这种场效应管(MOSFET)为增强型。另一类场效应管(MOSFET)，在VGS＝0时也有一定的ID(称为IDSS)，这种场效应管(MOSFET)称为耗尽型。它的结构如图三所示，

VP为夹断电压(ID＝0)。

　　耗尽型与增强型主要区别是在制造SiO2绝缘层中有大量的正离子，使在P型衬底的界面上感应出较多的负电荷，即在两个N型区中间的P型硅内形成一N型硅薄层而形成一导电沟道，所以在VGS＝0时，有VDS作用时也有一定的ID(IDSS)；当VGS有电压时(可以是正电压或负电压)，改变感应的负电荷数量，从而改变ID的大小。VP为ID＝0时的-VGS，称为夹断电压。

　　除了上述采用P型硅作衬底形成N型导电沟道的N沟道场效应管(MOSFET)外，也可用N型硅作衬底形成P型导电沟道的P沟道场效应管(MOSFET)。这样，场效应管(MOSFET)的分类如图五所示。

　　耗尽型：N沟道(图五a)；P沟道(图c)；

　　增强型：N沟道（图b)；P沟道(图d)。

　　为防止场效应管(MOSFET)接电感负载时，在截止瞬间产生感应电压与电源电压之和击穿场效应管(MOSFET)，一般功率场效应管(MOSFET)在漏极与源极之间内接一个快速恢复二极管，如图六所示。

判别检测

　　用指针式万用表对场效应管进行判别

　　（1）用测电阻法判别结型场效应管的电极

　　根据场效应管的PN结正、反向电阻值不一样的现象，可以判别出结型场效应管的三个电极。具体方法：将万用表拨在R×1k档上，任选两个电极，分别测出其正、反向电阻值。当某两个电极的正、反向电阻值相等，且为几千欧姆时，则该两个电极分别是漏极D和源极S。因为对结型场效应管而言，漏极和源极可互换，剩下的电极肯定是栅极Ｇ。也可以将万用表的黑表笔（红表笔也行）任意接触一个电极，另一只表笔依次去接触其余的两个电极，测其电阻值。当出现两次测得的电阻值近似相等时，则黑表笔所接触的电极为栅极，其余两电极分别为漏极和源极。若两次测出的电阻值均很大，说明是ＰＮ结的反向，即都是反向电阻，可以判定是Ｎ沟道场效应管，且黑表笔接的是栅极；若两次测出的电阻值均很小，说明是正向ＰＮ结，即是正向电阻，判定为Ｐ沟道场效应管，黑表笔接的也是栅极。若不出现上述情况，可以调换黑、红表笔按上述方法进行测试，直到判别出栅极为止。

　　（2）用测电阻法判别场效应管的好坏

　　测电阻法是用万用表测量场效应管的源极与漏极、栅极与源极、栅极与漏极、栅极Ｇ1与栅极Ｇ2之间的电阻值同场效应管手册标明的电阻值是否相符去判别管的好坏。具体方法：首先将万用表置于Ｒ×１０或Ｒ×100档，测量源极Ｓ与漏极Ｄ之间的电阻，通常在几十欧到几千欧范围（在手册中可知，各种不同型号的管，其电阻值是各不相同的），如果测得阻值大于正常值，可能是由于内部接触不良；如果测得阻值是无穷大，可能是内部断极。然后把万用表置于Ｒ×１０ｋ档，再测栅极Ｇ1与Ｇ2之间、栅极与源极、栅极与漏极之间的电阻值，当测得其各项电阻值均为无穷大，则说明管是正常的；若测得上述各阻值太小或为通路，则说明管是坏的。要注意，若两个栅极在管内断极，可用元件代换法进行检测。

　　（3）用感应信号输人法估测场效应管的放大能力

　　具体方法：用万用表电阻的R×100档，红表笔接源极Ｓ，黑表笔接漏极Ｄ，给场效应管加上1.5Ｖ的电源电压，此时表针指示出的漏源极间的电阻值。然后用手捏住结型场效应管的栅极Ｇ，将人体的感应电压信号加到栅极上。这样，由于管的放大作用，漏源电压VDS和漏极电流Iｂ都要发生变化，也就是漏源极间电阻发生了变化，由此可以观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极表针摆动较小，说明管的放大能力较差；表针摆动较大，表明管的放大能力大；若表针不动，说明管是坏的。

　　根据上述方法，我们用万用表的R×100档，测结型场效应管3DJ2F。先将管的Ｇ极开路，测得漏源电阻RDS为600Ω，用手捏住Ｇ极后，表针向左摆动，指示的电阻RDS为12kΩ，表针摆动的幅度较大，说明该管是好的，并有较大的放大能力。

　　运用这种方法时要说明几点：首先，在测试场效应管用手捏住栅极时，万用表针可能向右摆动（电阻值减小），也可能向左摆动（电阻值增加）。这是由于人体感应的交流电压较高，而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同（或者工作在饱和区或者在不饱和区）所致，试验表明，多数管的RDS增大，即表针向左摆动；少数管的RDS减小，使表针向右摆动。但无论表针摆动方向如何，只要表针摆动幅度较大，就说明管有较大的放大能力。第二，此方法对MOS场效应管也适用。但要注意，MOS场效应管的输人电阻高，栅极Ｇ允许的感应电压不应过高，所以不要直接用手去捏栅极，必须用于握螺丝刀的绝缘柄，用金属杆去碰触栅极，以防止人体感应电荷直接加到栅极，引起栅极击穿。第三，每次测量完毕，应当G-S极间短路一下。这是因为G-S结电容上会充有少量电荷，建立起ＶGＳ电压，造成再进行测量时表针可能不动，只有将G-S极间电荷短路放掉才行。

　　（4）用测电阻法判别无标志的场效应管

　　首先用测量电阻的方法找出两个有电阻值的管脚，也就是源极Ｓ和漏极Ｄ，余下两个脚为栅极G1和第二栅极G2。把先用两表笔测的源极Ｓ与漏极Ｄ之间的电阻值记下来，对调表笔再测量一次，把其测得电阻值记下来，两次测得阻值较大的一次，黑表笔所接的电极为漏极Ｄ；红表笔所接的为源极Ｓ。用这种方法判别出来的Ｓ、Ｄ极，还可以用估测其管的放大能力的方法进行验证，即放大能力大的黑表笔所接的是Ｄ极；红表笔所接地是８极，两种方法检测结果均应一样。当确定了漏极Ｄ、源极Ｓ的位置后，按Ｄ、Ｓ的对应位置装人电路，一般G1、G2也会依次对准位置，这就确定了两个栅极G1、G2的位置，从而就确定了Ｄ、S、G1、G2管脚的顺序。

　　（5）用测反向电阻值的变化判断跨导的大小

　　对ＶＭＯＳ Ｎ沟道增强型场效应管测量跨导性能时，可用红表笔接源极Ｓ、黑表笔接漏极Ｄ，这就相当于在源、漏极之间加了一个反向电压。此时栅极是开路的，管的反向电阻值是很不稳定的。将万用表的欧姆档选在R×10kΩ的高阻档，此时表内电压较高。当用手接触栅极Ｇ时，会发现管的反向电阻值有明显地变化，其变化越大，说明管的跨导值越高；如果被测管的跨导很小，用此法测时，反向阻值变化不大。

与晶体管的区分

　　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、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。

　　3、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。

　　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。