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场效应晶体管的工作原理和分类结构图

2017-02-28 11:20分类:电子元器件 阅读:

 

    场效应晶体管(英文缩写FET)简称场效应管,顾名思义,它是利用电场的效应来控制电流的。场效应晶体管是在普通晶体三极管制造工艺的基础上开发出来的新一代放大器件,它有3个电极——栅极、漏极和源极,其特点是栅极的内阻极高,采用二氧化硅材料的可达到上千兆欧,通过栅极电压可控制漏极电流,属于电压控制型半导体器件。由于晶体三极管内部参加导电的载流子为空穴和电子两种,所以晶体三极管又称为双极型晶体管而场效应晶体管内部参加导电的载流子只有空穴或只有电子一种,因此场效应晶体管又称为单极型晶体管。
    场效应晶体管具有输入电阻高( 10~1000MΩ)、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、热稳定性好等优点,其一些特性与电子管相似,现已成为双极型晶体管(尤其是功率晶体管)的强大竞争者。

    外形和种类
    常见场效应晶体管的实物外形如图10-1所示。由图可见,场效应晶体管的外形与普通三极管别无两样,其封装形式主要有金属壳封装和塑料封装两大类,引脚一般有3根,特殊的有4根(双栅极场效应管)和6根(一个管壳内封装两只场效应管)。
场效应晶体管的实物外形图
    根据结构和制造工艺,场效应晶体管可分为结型场效应管( JFET)和绝缘栅场效应管( JGFET)两大类。如果按导电沟道(即电流通路)材料的不同划分,结型和绝缘栅型场效应管各有N沟道和P沟道两种;按工作方式划分,结型场效应管均为耗尽型(栅偏压为零时已存在沟道),而绝缘栅型场效应管既有耗尽型,也有增强型(栅偏压达到一定值时才会出现沟道)。场效应晶体管的一般分类如下。
 场效应晶体管的结构分类图
    目前,在绝缘栅场效应晶体管中,应用最为广泛的是“MOS场效应晶体管”(即:金属一氧化物一半导体场效应管),它是由金属、氧化物和半导体所组成的,简称“MOS管”。常用的场效应晶体管中还有双栅极场效应晶体管、绝缘栅双极型场效应晶体管( IGBT),以及用途广泛的各种类型的功率场效应晶体管等。结构及特性
    结型场效应晶体管或绝缘栅场效应晶体管中,不同沟道的管子,其工作方式是一样的,它们内部的区别在于制造时所选用的硅材料类型正好相反,而外部的区别在于管子的工作电压极性正好相反,这如同双极型三极管有PNP型和NPN型一样。下面以N沟道结型场效应晶体管和N沟道绝缘栅场效应晶体管为例,简单介绍它们的结构和基本特性。
    N沟道结型场效应晶体管( JFET)的结构如图10-2虚线框内所示,它是在N型硅材料的两端引出漏极D和源极S两个电极,又在硅材料的两侧各附一小片P型材料,在内部用导线把两个P区连接在一起,并引出一个电极称为栅极G。这样,在N型硅材料和栅极G的交界处就形成了两个PN结,因其中的载流子已经耗尽,故这两个PN结基本上是不导电的,形成了所谓的耗尽层;而夹在耗尽层中间的N型硅材料,由于呈现一定的电阻,且能够导电,被形象地称为“沟道”。如果按图所示在漏极D、源极S之间加上正向电压UDS,就会有漏极电流/D漏极D通过沟道流向源极S,且随着电压UDS的增加而增大。当给栅极G加上负栅压UGS时,就相当于给PN结加上了反向电压,从而使得两个耗尽层变厚,沟道变窄,沟道电阻加大,漏极流/D减小。当负栅压继续增加时,耗尽层就会越来越厚,甚至使两边耗尽层在沟道中间相合,导电沟道消失,漏极电流/D=0,这种现象称为夹断,这时所加的栅极电压就叫夹断电压UP。可见,结型场效应晶体管是利用导电沟道之间耗尽层的大小来控制漏极电流的,与普通晶体管的最大不同之处在于:它在工作时,栅、源极之间存在的PN结被反向偏置,因而输入电阻极大,一般在 107Ω以上,这使得场效应晶体管成为电压控制器件,即漏极电流/D受控于栅极电UGS;而普通晶体三极管却是由一个反偏的集电结和一个正偏的发射结结合而成的,是电流控制器件,即在一定条件下,集电极电流/c受控于基极电流/b。
     N沟道场效应晶体管的工作原理图
N沟道绝缘栅场效应晶体管工作原理图
    用一块杂质浓度比较低的P型薄硅片作为衬底,在它上面扩散两个高掺杂的N型区( N+区),分别作为源极S和漏极D,在硅片表面覆盖一层绝缘物,然后再用金属铝引出一个电极作为栅极G。由于栅极G与其他电极之间隔着二氧化硅绝缘层,所以绝缘栅场效应管因此得名。在制造管子时,通过工艺使绝缘层中出现大量正离子,故在交界面的另一侧(P型硅)能感应出较多的负电荷,这些负电荷把两个N+区接通,就形成了导电沟道(增强型管在栅极G加上一定电压后才会形成),即使在栅极电压UGS=0时,也会有较大的漏极电流/D当栅极电压UGS改变时,沟道内被感应的电荷量也改变,导电沟道的宽窄随之而变,因而使漏极电流/D随着栅极电压的变化而变化。由此可见,绝缘栅场效应管是利用绝缘栅在外加电压下所产生的感应电荷来控制导电沟道的宽窄,从而实现对漏极电流/D的控制,这和结型场效应管是不同的,它的输入电阻更是高达109Ω以上。
    绝缘栅场效应管有增强型和耗尽型之分。当栅极G和源极S之间的电压UGS=0时,漏、源极之间就存在导电沟道,并能形成较大漏极电流的,称为耗尽型场效应管;如果必须在|UGS| >0的情况下才存在导电沟道,才会形成漏极电流的,则称为增强型场效应管,对于耗尽型场效应管来说,只要漏极D与源极S上加上电压,即使栅极电压UGS为零,在沟道中也会有漏极电流/D产生。如果在栅极上加正电压,导电沟道就会变宽,漏极电流/D会增大;反之,如果在栅极上加负电压,导电沟道就会变窄,漏极电流便会减小。这跟N沟道结型场效应管基本相同,不同之处在于结型管仅能够加负栅压(P沟道结型管仅能够加正栅压)  对于增强型的管子,当栅极电压UGS为零时,即使在漏极D和源极S之间还加着正向电压UDS,沟道中也不会有电流通过。如果给栅极G加上正电压,情况就会发生变化,沟道中就会有电流流过。一般使管子导通并开始产生漏极电流时的栅、源极间电压UGS,就叫开启电压UT

    主要参数
    场效应晶体管的参数很多,包括直流参数、交流参数和极限参数,但一般使用时只需要关注以下几项主要参数。
    ①夹断电压(UP)。这是指在规定的漏极电压UDS下,使漏极电流/D(即沟道电流)为零或者小于某一小电流值(例如1μA. 10μA)时,加在栅极上的电压UGS它是结型或耗尽型绝缘栅场效应晶体管的重要参数。
    ②开启电压(UT)。这是指当漏极电压UDS为某一规定值时,使导电沟道(即漏、源极之间)刚开始导通时的栅极电压UGS它是增强型场效应晶体管的重要参数。当栅极电压UGS于开启电压坼的绝对值时,场效应晶体管不能导通。:
    ③饱和漏电流(/DSS)。这是指当栅、源极短路(UGS=0)时,一定的漏极电压UDS(大于夹断电压)所引起的漏极电流/D饱和漏电流反映了零栅压时原始沟道的导电能力,是耗尽型场效应晶体管的重要参数。
    ④低频跨导(gm),在漏极电压UDS为规定值时,漏极电流变化量△/D与引起这个变化的栅压变化量UGS的比值,叫跨导(或互导),即gm=/D/UGSgm的常用单位是mS(毫西门子)gm是衡量场效应晶体管栅极电压对漏极电流控制能力强弱的一个参数,也是衡量放大作用的重要参数,与晶体三极管的交流电流放大系数β相似。gm与管子的工作区域有关,漏极电流/D越大,管子的跨导gm也越大。
    ⑤漏源击穿电压(BUDS)。这是指栅极电压UGS一定时,场效应晶体管正常工作所能承受的最大漏极电压,它相当于普通晶体三极管的集电极一发射极击穿电压V(BR)ceo(即BUceo)。这是一项极限参数,使用时加在场效应晶体管上的工作电压必须小于BUDS
    ⑥最大漏源电流( /DSM)。这是指场效应晶体管正常工作时,漏、源极之间所允许通过的最大电流,它相当于普通晶体三极管的/CM场效应晶体管的工作电流不应超过这一极限参数。
    ⑦最大耗散功率(PDSM)。这是指场效应晶体管性能不变坏时,所允许的最大漏极耗散功率,它相当于普通三极管的Pcm。使用时,场效应晶体管的实际功耗(PD=UDS×/D)应小于这一极限参数,并留有一定余量。

    型号命名
场效应晶体管的型号标注图
    第1部分是数字“3”或“4”,分别表示有3个电极或4个电极(双栅极场效应管);第2部分是字母“D”或。C”,分别表示N型沟道或P型沟道;第3部分是字母“J”或“O”,分别表示是结型管还是绝缘栅型管;第4部分是阿拉伯数字(多后缀参数分挡字母A-J),表示器件序号和某些特性参数的分类等。例如:3DJ6F表示N沟道结型场效应管,3C01表示P沟道绝缘栅(增强型)场效应管,4DOIA表示N沟道绝缘栅(耗尽型)双栅场效应管。还有些绝缘栅场效应晶体管,生产厂家在型号后面加有字母“B”(如3DOID-B),表示管内对栅极加了保护措施。功率型场效应晶体管的型号命名多借用国外型号命名法,还有些是生产厂家自己命名的。部分国产小功率场效应晶体管的型号和主要参数见表10。
  表1 0部分国产场效应晶体管的型号和主要参数
型号  类型 饱和漏电
流/DSS(mA)
夹断电压UP(v) 开启电压
UT(V)
共源低
频跨导
gm(ms)
栅源绝
缘电阻
RGS(Ω)
漏源击
穿电压
BUDS(V)
最大漏
源电流
DSM(mA)
最大耗散
功率PDS(mw)
 3DJ6D N沟道


型管
〈0.35     300        
 3DJ6E 0.3~1.2     500        
 3DJ6F 1~3.5 <l -9 l     ≥10 〉20 15 100
 3DJ6G 3~6.5     1000        
 3DJ6H 6~10              
 3D01D  N沟道

耗尽型
  MOS管
〈0.35              
 3DO1E 0.3~1.2 <l -4 l            
 3DO1F 1~3.5     〉1000 ≥109 〉20 15 100
 3DO1G 3~6.5 <l -9 l            
 3DO1H   6 ~10            
 3D06A N沟道

增强型MOS开关管
≤10   2.5~5 〉2000 ≥109 20   100
 3D06B   〈3  
  3C01  P沟道

增强型
 MOS管
≤10   l -2 l~
l -6 l
〉500 108~1011 〉15 15 100
 4DO1A N沟道耗尽型双栅
MOS管
5~35     〉10000        
 4DO1B ≤10 <l -5 l     ≥108 ≥18 30 100
 4DO1C 9~20   〉7000
 4DO1D 19~35              
    国外生产的常见场效应晶体管型号有2SK11、3N128、BFW11、MFE3004、IRFD120、BS170-其型号命名规则与同类晶体三极管一致,这里不再详细介绍

    引脚识别
    场效应晶体管的引脚识别方法图
    对于图10-5 (a)所示的金属管帽封装的三引脚圆柱状场效应管,其管帽下有一个小凸口,把引脚对着自己,从凸口开始沿顺时针方向数,如果是结型场效应管,依次为源极S、漏极D和栅极G;如果是绝缘栅型场效应管,则依次为D、G和S脚。对于塑料封装的半圆柱状结型场效应管,其3个引线脚呈“一字形”排列,面对标有型号的一面,从左到右依次为S、D、G脚。对于图10-5(b)所示的金属管帽封装的四引脚绝缘栅型场效应管,其增加的第4引脚有两种可能,如果是普通增强型MOS场效应管,则该脚为“衬底”引脚;如果是双栅MOS管,则该脚为第二栅极引脚。
    对于有4个引脚的结型场效应晶体管,其增加的第4脚一般是屏蔽极(使用中接地)。对于大功率场效应晶体管,将管子有字面朝自己、引脚朝下,从左至右其引脚排列顺序基本上都是“G、D、S”,并且散热片接通D极。,当遇到型号、封装和引脚排列不熟悉的场效应晶体管时,就要查阅有关资料或用万用表检测辨认后再接入电路。

    电路符号
场效应晶体管的符号图
    其中结型场效应管的图形符号中,竖直线表示能导电的沟道,竖直线顶部的一条直角线表示漏极D,竖直线底部的一条直角线表示源极S,竖直线左面带箭头的直线表示栅极G。同普通晶体三极管一样,箭头指向表示从P型指向N型材料,从箭头指向就可以知道是哪种沟道的结型场效应管,,很显然,图形符号中箭头指向“沟道”,表示是N型沟道结型场效应管;箭头背离“沟道”,表示是P型沟道结型场效应管。由于结型管的源极S和漏极D在制造工艺上是对称的,所以图形符号画法也很对称,表示在实际应用中这两个电极可以对换使用。在绝缘栅型场效应管的图形符号中,栅极G都不带箭头,不与“沟道”竖直线接触,表示管中栅极G与漏极D.源极S是绝缘的,以区别于结型场效应管。将表示沟道结型的“箭头”改画在“沟道”中间表示“衬底”的水平线上,即箭头指向“沟道”,表示是N型沟道绝缘栅型场效应管;箭头背离“沟道”,表示是P型沟道绝缘栅型场效应管。另外,箭头线画的短,表示衬底无引出线;箭头线画的稍长,表示衬底有引出线;箭头线与源极S相连,表示衬底在管子内部已经与源极连接。对于增强型的管子,还将“沟道”线画成3截,表示在零栅压下这种管子是没有导电沟道的,以区别于耗尽型MOS管和结型场效应管。可见,掌握了场效应晶体管的这些图形符号,就等于掌握了场效应晶体管的种类,这对分析电路和正确运用场效应晶体管都很重要。
    跟普通晶体三极管一样,以前场效应晶体管的旧图形符号均用圆圈表示外壳,现已废弃不再画出圆圈。不过我们翻阅以前的电路图或图书时,会看到带有圆圈的场效应晶体管图形符号。
    场效应晶体管的文字符号与普通晶体三极管的文字符号相同,常用VT(旧符号为BG)或V表示,在电路图中常写在图形符号旁边。若电路图中有多只同类元器件时,按常规就在文字后面或右下角标上数字,以示区别,如VT1、VT2-文字符号的下边,一般标出场效应晶体管的型号。

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