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1.概念:
場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管.由多數(shù)載流子參與導電,也稱為單極型晶體管.它屬于電壓控制型半導體器件.
特點:
具有輸入電阻高(100000000~1000000000Ω)、噪聲小、功耗低 、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象 、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點,現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者.
作用:
場效應管可應用于放大.由于場效應管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合電容可以容量較小,不必使用電解電容器.
場效應管可以用作電子開關(guān).
場效應管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換.常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換.場效應管可以用作可變電阻.場效應管可以方便地用作恒流源.
2.場效應管的分類:
場效應管分結(jié)型、絕緣柵型(MOS)兩大類
按溝道材料:結(jié)型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種.
按導電方式:耗盡型與增強型,結(jié)型場效應管均為耗盡型,絕緣柵型場效應管既有耗盡型的,也有增強型的。
場效應晶體管可分為結(jié)場效應晶體管和MOS場效應晶體管,而MOS場效應晶體管又分為N溝耗盡型和增強型;P溝耗盡型和增強型四大類.見下圖 :
3.場效應管的主要參數(shù) :
Idss — 飽和漏源電流.是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應管中,柵極電壓UAH=0時的漏源電流.
Up — 夾斷電壓.是指結(jié)型或耗盡型絕緣柵場效應管中,使漏源間剛截止時的柵極電壓.
Ut — 開啟電壓.是指增強型絕緣柵場效管中,使漏源間剛導通時的柵極電壓.
gM — 跨導.是表示柵源電壓UAH — 對漏極電流ID的控制能力,即漏極電流ID變化量與柵源電壓UAH變化量的比值.gM 是衡量場效應管放大能力的重要參數(shù).
BVDS — 漏源擊穿電壓.是指柵源電壓UAH一定時,場效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓.這是一項極限參數(shù),加在場效應管上的工作電壓必須小于BVDS.
PDSM — 最大耗散功率,也是一項極限參數(shù),是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率.使用時,場效應管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量.
IDSM — 最大漏源電流.是一項極限參數(shù),是指場效應管正常工作時,漏源間所允許通過的最大電流.場效應管的工作電流不應超過IDSM
4.結(jié)型場效應管的管腳識別:
判定柵極G:將萬用表撥至R×1k檔,用萬用表的負極任意接一電極,另一只表筆依次去接觸其余的兩個極,測其電阻.若兩次測得的電阻值近似相等,則負表筆所接觸的為柵極,另外兩電極為漏極和源極.漏極和源極互換,若兩次測出的電阻都很大,則為N溝道;若兩次測得的阻值都很小,則為P溝道.
判定源極S、漏極D:
在源-漏之間有一個PN結(jié),因此根據(jù)PN結(jié)正 、反向電阻存在差異,可識別S極與D極.用交換表筆法測兩次電阻,其中電阻值較低(一般為幾千歐至十幾千歐)的一次為正向電阻,此時黑表筆的是S極,紅表筆接D極.
5.常效應管與晶體三極管的比較
場效應管是電壓控制元件,而晶體管是電流控制元件.在只允許從信號源取較少電流的情況下,應選用場效應管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件下,應選用晶體管.
場效應管是利用多數(shù)載流子導電,所以稱之為單極型器件,而晶體管是即有多數(shù)載流子,也利用少數(shù)載流子導電,被稱之為雙極型器件.
有些場效應管的源極和漏極可以互換使用,柵壓也可正可負,靈活性比晶體管好.
場效應管能在很小電流和很低電壓的條件下工作,而且它的制造工藝可以很方便地把很多場效應管集成在一塊硅片上,因此場效應管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的應用.
一、場效應管的結(jié)構(gòu)原理及特性 場效應管有結(jié)型和絕緣柵兩種結(jié)構(gòu),每種結(jié)構(gòu)又有N溝道和P溝道兩種導電溝道。
1、結(jié)型場效應管(JFET)
(1)結(jié)構(gòu)原理 它的結(jié)構(gòu)及符號見圖1 。在N型硅棒兩端引出漏極D和源極S兩個電極 ,又在硅棒的兩側(cè)各做一個P區(qū),形成兩個PN結(jié)。在P區(qū)引出電極并連接起來,稱為柵極Go這樣就構(gòu)成了N型溝道的場效應管
圖1 、N溝道結(jié)構(gòu)型場效應管的結(jié)構(gòu)及符號
由于PN結(jié)中的載流子已經(jīng)耗盡 ,故PN基本上是不導電的,形成了所謂耗盡區(qū),從圖1中可見 ,當漏極電源電壓ED一定時,如果柵極電壓越負,PN結(jié)交界面所形成的耗盡區(qū)就越厚 ,則漏、源極之間導電的溝道越窄,漏極電流ID就愈小;反之,如果柵極電壓沒有那么負 ,則溝道變寬,ID變大,所以用柵極電壓EG可以控制漏極電流ID的變化,就是說 ,場效應管是電壓控制元件。
(2)特性曲線
1)轉(zhuǎn)移特性
圖2(a)給出了N溝道結(jié)型場效應管的柵壓---漏流特性曲線,稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,它和電子管的動態(tài)特性曲線非常相似 ,當柵極電壓VAH=0時的漏源電流 。用IDSS表示。VAH變負時,ID逐漸減小。ID接近于零的柵極電壓稱為夾斷電壓,用VP表示 ,在0≥VAH≥VP的區(qū)段內(nèi),ID與VAH的關(guān)系可近似表示為:
ID=IDSS(1-|VAH/VP|)
其跨導gm為:gm=(△ID/△VAH)|VDS=常微(微歐)|
式中:△ID------漏極電流增量(微安)
------△VAH-----柵源電壓增量(伏)
圖2、結(jié)型場效應管特性曲線
2)漏極特性(輸出特性)
圖2(b)給出了場效應管的漏極特性曲線,它和晶體三極管的輸出特性曲線 很相似 。
①可變電阻區(qū)(圖中I區(qū))在I區(qū)里VDS比較小 ,溝通電阻隨柵壓VAH而改變,故稱為可變電阻區(qū)。當柵壓一定時,溝通電阻為定值 ,ID隨VDS近似線性增大,當VAH<VP時,漏源極間電阻很大(關(guān)斷)。IP=0;當VAH=0時,漏源極間電阻很?。▽ǎ?,ID=IDSS 。這一特性使場效應管具有開關(guān)作用。
②恒流區(qū)(區(qū)中II區(qū))當漏極電壓VDS繼續(xù)增大到VDS>|VP|時,漏極電流,IP達到了飽和值后基本保持不變 ,這一區(qū)稱為恒流區(qū)或飽和區(qū),在這里,對于不同的VAH漏極特性曲線近似平行線 ,即ID與VAH成線性關(guān)系,故又稱線性放大區(qū)。
③擊穿區(qū)(圖中Ⅲ區(qū))如果VDS繼續(xù)增加,以至超過了PN結(jié)所能承受的電壓而被擊穿 ,漏極電流ID突然增大,若不加限制措施,管子就會燒壞 。
2 、絕緣柵場效應管
它是由金屬、氧化物和半導體所組成 ,所以又稱為金屬---氧化物---半導體場效應管,簡稱MOS場效應管。
(1)結(jié)構(gòu)原理
它的結(jié)構(gòu)、電極及符號見圖3所示,以一塊P型薄硅片作為襯底,在它上面擴散兩個高雜質(zhì)的N型區(qū) ,作為源極S和漏極D。在硅片表覆蓋一層絕緣物,然后再用金屬鋁引出一個電極G(柵極)由于柵極與其它電極絕緣,所以稱為絕緣柵場面效應管。
圖3、N溝道(耗盡型)絕緣柵場效應管結(jié)構(gòu)及符號
在制造管子時 ,通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子,故在交界面的另一側(cè)能感應出較多的負電荷,這些負電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通 ,形成了導電溝道,即使在VAH=0時也有較大的漏極電流ID 。當柵極電壓改變時,溝道內(nèi)被感應的電荷量也改變 ,導電溝道的寬窄也隨之而變,因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。
場效應管的式作方式有兩種:當柵壓為零時有較大漏極電流的稱為耗散型,當柵壓為零 ,漏極電流也為零,必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流的稱為增強型。
(2)特性曲線
1)轉(zhuǎn)移特性(柵壓----漏流特性)
圖4(a)給出了N溝道耗盡型絕緣柵場效應管的轉(zhuǎn)移行性曲線,圖中Vp為夾斷電壓(柵源截止電壓);IDSS為飽和漏電流 。
圖4(b)給出了N溝道增強型絕緣柵場效管的轉(zhuǎn)移特性曲線,圖中Vr為開啟電壓 ,當柵極電壓超過VT時,漏極電流才開始顯著增加。
2)漏極特性(輸出特性)
圖5(a)給出了N溝道耗盡型絕緣柵場效應管的輸出特性曲線。
圖5(b)為N溝道增強型絕緣柵場效應管的輸出特性曲線 。
圖4 、N溝道MOS場效管的轉(zhuǎn)移特性曲線
圖5、N溝道MOS場效應管的輸出特性曲線
此外還有N襯底P溝道(見圖1)的場效應管,亦分為耗盡型號增強型兩種 ,
各種場效應器件的分類,電壓符號和主要伏安特性(轉(zhuǎn)移特性、輸出特性) 二 、場效應管的主要參數(shù)
1、夾斷電壓VP
當VDS為某一固定數(shù)值,使IDS等于某一微小電流時 ,柵極上所加的偏壓VAH就是夾斷電壓VP。
2、飽和漏電流IDSS
在源 、柵極短路條件下,漏源間所加的電壓大于VP時的漏極電流稱為IDSS。
3、擊穿電壓BVDS
表示漏、源極間所能承受的最大電壓,即漏極飽和電流開始上升進入擊穿區(qū)時對應的VDS 。
4 、直流輸入電阻RAH
在一定的柵源電壓下 ,柵、源之間的直流電阻,這一特性有以流過柵極的電流來表示,結(jié)型場效應管的RAH可達1000000000歐而絕緣柵場效應管的RAH可超過10000000000000歐。
5、低頻跨導gm
漏極電流的微變量與引起這個變化的柵源電壓微數(shù)變量之比 ,稱為跨導,即
gm= △ID/△VAH
它是衡量場效應管柵源電壓對漏極電流控制能力的一個參數(shù),也是衡量放大作用的重要參數(shù),此參靈敏常以柵源電壓變化1伏時 ,漏極相應變化多少微安(μA/V)或毫安(mA/V)來表示
目前主板或顯卡上使用的MOS管并不太多,一般有10個左右。主要原因是大部分MOS管集成在IC芯片中 。因為MOS管主要為配件提供穩(wěn)定的電壓,所以一般用在CPU 、AGP插槽、內(nèi)存插槽附近。其中 ,CPU和AGP插槽附近布置了一組MOS管,而內(nèi)存插槽共用一組MOS管。一般來說,MOS管兩個一組出現(xiàn)在主板上。工作原理雙極晶體管將輸入端的小電流變化放大 ,然后在輸出端輸出大的電流變化 。雙極晶體管的增益定義為輸出電流與輸入電流之比(β)。另一種晶體管叫FET,把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。它們是電流控制裝置和電壓控制裝置 。FET的增益等于其跨導)gm,跨導定義為輸出電流的變化與輸入電壓的變化之比。FET的名字也來源于它的輸入柵極(稱為gate) ,它通過在絕緣層(氧化物SIO2)上投射電場來影響流經(jīng)晶體管的電流。實際上沒有電流流過這個絕緣體(只是電容的作用),所以FET的柵極電流很小(電容的電流損耗) 。最常見的FET在柵電極下使用一薄層二氧化硅作為絕緣體。這種晶體管被稱為金屬氧化物半導體(MOS)晶體管,或金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。
mos場效應晶體管功率5000w
MOS場效應管也被稱為金屬氧化物半導體場效應管(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor, MOSFET) 。它一般有耗盡型和增強型兩種。增強型MOS場效應管可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型電力mos場效應管 ,PNP型也叫P溝道型 。對于N溝道電力mos場效應管的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上電力mos場效應管,同樣對于P溝道電力mos場效應管的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。場效應管的輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制,可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗 ,同時這也是我們稱之為場效應管的原因。
MOS管的原理:
它是利用VAH來控制“感應電荷”的多少 ,以改變由這些“感應電荷 ”形成的導電溝道的狀況,然后達到控制漏極電流的目的。在制造管子時,通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子 ,故在交界面的另一側(cè)能感應出較多的負電荷,這些負電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通,形成了導電溝道 ,即使在VAH=0時也有較大的漏極電流ID 。當柵極電壓改變時,溝道內(nèi)被感應的電荷量也改變,導電溝道的寬窄也隨之而變 ,因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。
作用:
1、可應用于放大電路。由于MOS管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合電容可以容量較小,不必使用電解電容器 。
2、很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。
3 、可以用作可變電阻 。
4、可以方便地用作恒流源。
5、可以用作電子開關(guān)。
簡介:
mos管,即在集成電路中絕緣性場效應管 。是金屬(metal)—氧化物(oxid)—半導體(semiconductor)場效應晶體管?;蛘叻Q是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的 ,都是在P型backgate中形成的N型區(qū) 。在多數(shù)情況下,這個兩個區(qū)是一樣的,即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。
結(jié)構(gòu)特點:
MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示;其導通時只有一種極性的載流子(多子)參與導電 ,是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同,但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別,小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷? ,功率MOSFET大都采用垂直導電結(jié)構(gòu),又稱為VMOSFET,大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 。
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n溝道m(xù)os管? ? ? ? ? ? ? ? ?
p溝道m(xù)os管
其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層 ,因此具有很高的輸入電阻,該管導通時在兩個高濃度n擴散區(qū)間形成n型導電溝道。n溝道增強型MOS管必須在柵極上施加正向偏壓,且只有柵源電壓大于閾值電壓時才有導電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加柵壓(柵源電壓為零)時 ,就有導電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管 。
mos管是金屬(metal)—氧化物(oxid)—半導體(semiconductor)場效應晶體管。
或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。
MOS管的source和drain是可以對調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū) 。在多數(shù)情況下,這個兩個區(qū)是一樣的,即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。
雙極型晶體管把輸入端電流的微小變化放大后 ,在輸出端輸出一個大的電流變化 。雙極型晶體管的增益就定義為輸出輸入電流之比(beta)。另一種晶體管,叫做場效應管(FET),把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的transconductance , 定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比 。 場效應管的名字也來源于它的輸入端(稱為gate)通過投影一個電場在一個絕緣層上來影響流過晶體管的電流。事實上沒有電流流過這個絕緣體,所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化硅來作為GATE極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導體(MOS)晶體管,或,金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET) 。因為MOS管更小更省電 ,所以他們已經(jīng)在很多應用場合取代了雙極型晶體管。
MOS管的工作原理:
先考察一個更簡單的器件-MOS電容-能更好的理解MOS管。這個器件有兩個電極,一個是金屬,另一個是extrinsic silicon ,他們之間由一薄層二氧化硅分隔開 。金屬極就是GATE,而半導體端就是backgate或者body。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric。圖示中的器件有一個輕摻雜P型硅做成的backgate 。這個MOS 電容的電特性能通過把backgate接地,gate接不同的電壓來說明。MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導體BACKGATE在WORK FUNC深圳振邦微 ON上的差異在電介質(zhì)上產(chǎn)生了一個小電場 。在器件中 ,這個電場使金屬極帶輕微的正電位,P型硅負電位。這個電場把硅中底層的電子吸引到表面來,它同時把空穴排斥出表面。這個電場太弱了,所以載流子濃度的變化非常小 ,對器件整體的特性影響也非常小 。
當MOS電容的GATE相對于BACKGATE正偏置時發(fā)生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場加強了,有更多的電子從襯底被拉了上來。同時,空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高 ,會出現(xiàn)表面的電子比空穴多的情況 。由于過剩的電子,硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉(zhuǎn)被稱為inversion,反轉(zhuǎn)的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續(xù)不斷升高 ,越來越多的電子在表面積累,channel變成了強反轉(zhuǎn) 。Channel形成時的電壓被稱為閾值電壓Vt。當GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時,不會形成channel。當電壓差超過閾值電壓時 ,channel就出現(xiàn)了 。
MOS電容:(A)未偏置(VBG=0V),(B)反轉(zhuǎn)(VBG=3V),(C)積累(VBG=-3V)。 中是當MOS電容的GATE相對于backgate是負電壓時的情況。電場反轉(zhuǎn) ,往表面吸引空穴排斥電子 。硅表層看上去更重的摻雜了,這個器件被認為是處于accumulation狀態(tài)了。 MOS電容的特性能被用來形成MOS管。Gate,電介質(zhì)和backgate保持原樣 。在GATE的兩邊是兩個額外的選擇性摻雜的區(qū)域。其中一個稱為source,另一個稱為drain。假設source 和backgate都接地 ,drain接正電壓。只要GATE對BACKGATE的電壓仍舊小于閾值電壓,就不會形成channel 。Drain和backgate之間的PN結(jié)反向偏置,所以只有很小的電流從drain流向backgate。如果GATE電壓超過了閾值電壓 ,在GATE電介質(zhì)下就出現(xiàn)了channel。這個channel就像一薄層短接drain和source的N型硅 。由電子組成的電流從source通過channel流到drain??偟膩碚f,只有在gate 對source電壓V 超過閾值電壓Vt時,才會有drain電流。
在對稱的MOS管中 ,對source和drain的標注有一點任意性 。定義上,載流子流出source,流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置來決定了。有時晶體管上的偏置電壓是不定的 ,兩個引線端就會互相對換角色 。這種情況下,電路設計師必須指定一個是drain另一個是source。
Source和drain不同摻雜不同幾何形狀的就是非對稱MOS管。制造非對稱晶體管有很多理由,但所有的最終結(jié)果都是一樣的 。一個引線端被優(yōu)化作為drain ,另一個被優(yōu)化作為source。如果drain和source對調(diào),這個器件就不能正常工作了。
晶體管有N型channel所有它稱為N-channel MOS管,或NMOS。P-channel MOS(PMOS)管也存在,是一個由輕摻雜的N型BACKGATE和P型source和drain組成的PMOS管 。如果這個晶體管的GATE相對于BACKGATE正向偏置 ,電子就被吸引到表面,空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累,沒有channel形成。如果GATE相對于BACKGATE反向偏置 ,空穴被吸引到表面,channel形成了 。因此PMOS管的閾值電壓是負值。由于NMOS管的閾值電壓是正的,PMOS的閾值電壓是負的 ,所以工程師們通常會去掉閾值電壓前面的符號。一個工程師可能說,“PMOS Vt從0.6V上升到0.7V”, 實際上PMOS的Vt是從-0.6V下降到-0.7V 。
1 、場效應管是電壓控制器件 ,它通過VAH(柵源電壓)來控制ID(漏極電流);
2、場效應管的控制輸入端電流極小,因此它的輸入電阻(107~1012Ω)很大。
3、利用多數(shù)載流子導電,因此它的溫度穩(wěn)定性較好;
4 、組成的放大電路的電壓放大系數(shù)要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數(shù);
5、場效應管的抗輻射能力強;
6、由于它不存在雜亂運動的電子擴散引起的散粒噪聲 ,所以噪聲低。
擴展資料:
場效應管分為接合型場效應管和MOS型場效應管兩類 。
接合型場效應管即使柵極電壓為零,也有電流流通,因此用于恒定電流源或因低噪音而用于音頻放大器等。
MOS型場效應管因其結(jié)構(gòu)簡單 、速度快,且柵極驅(qū)動簡單、具有耐破壞力強等特征 ,而且使用微細加工技術(shù)的話,即可直接提高性能,因此被廣泛使用于由LSI的基礎器件等高頻器件到功率器件(電力控制器件)等的領(lǐng)域中。
參考資料來源:百度百科——場效應管
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