电力场效应管
- 电力场效应管又名电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型，通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET），结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。
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按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。
增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。
电力MOSFET主要是N沟道增强型。
静态特性
（1）漏极电流ID和栅源间电压
漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。
ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。
(2)MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：
截止区（对应于GTR的截止区）
饱和区（对应于GTR的放大区）
非饱和区（对应GTR的饱和区）
工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。
漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时导通。
通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。
(3)动态特性
开通过程
开通延迟时间td(on)
上升时间tr
开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和
关断过程
关断延迟时间td(off)
下降时间tf
关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和
MOSFET的开关速度
MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。
可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。
不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。
开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。
场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。
开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
小功率MOS管是横向导电器件。
电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。
按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。
这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。
电力MOSFET的工作原理（N沟道增强型VDMOS）
截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。
P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。
导电：在栅源极间加正电压UGS
当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。
N型的增强型MOS管，驱动电路接栅极G，注意是电压驱动型，查看芯片手册看驱动方式，源极S可接负载或者地，漏极D接电源或者负载P型的S和D相反
两种方案：方案1要用P沟道场管，IRF640N是N沟道的，不能用，还要求PLC的OC端能承受24V电压，这点可能不行。方案2用N沟道场管，IRF640N可行。两个方案都是低电平接通电磁阀，高电平断开。
高频小功率三极管一般指特征频率大于3MHz,功率小于1W的三极管。主要用于高频振荡、放大电路中。高频大功率三极管指特征频率大于3MHz,功率大于1W的三极管。主要用于通信等设备中作为功率驱动、放大。 ...
用栅极电压来控制漏极电流
驱动电路简单，需要的驱动功率小。
开关速度快，工作频率高。
热稳定性优于GTR。
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。
除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：
(1)漏极电压UDS——电力MOSFET电压定额
(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额
(3)栅源电压UGS—— UGS>20V将导致绝缘层击穿 。
(4)极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS
间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。
1、防止静电击穿
静电是相对于另一表面或相对于地的一物体表丽上电子的过剩或不足。过剩电子的表面带有负电，电子不足的表面带有正电。静电一般由磨擦或感应产生。电力MOSFET的最大优点是具有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合难于泄放电荷，容易引起静电击穿。静电击穿有两种形式：一是电压型，即栅极的薄氧化层发生击穿而形成针孔，使栅极和源极间短路，或者使栅极和漏极间短路；二是功率型，即金属化薄膜铝条被熔断，造成栅极开路或者是源极开路。造成静电击穿的电荷源可能是器件本身，也可能是与之接触的外部带电物体，或带电人体。在干燥环境中，活动的人体电位可达数千伏甚至上万伏，所以人体是引起电力MOSFET静电击穿的主要电荷源之一。引起电力MOSFET静电击穿所需的静电电压为1000v或更高些(取决于芯片太小)。对于带电的电力MOSFET，当它与周围物体的几何位置发生相应变化，这会使器件电压升高，从而造成器件损坏。有时，如带电荷的器件与地短接，则放电瞬间会造成器件损坏。在电场中，由于静电感应电力MOSFET将产生感应电场，故当器件处于强电场中时．会发生栅极绝缘体击穿。
防止静电击穿时应注意：(1)在MOSFET测试和接人电路之前，应存放在静电包装袋、导电材料或金属容器中，不能放在塑料盒或塑料袋中。取用时应拿管壳部分而不是引线部分。工作人员需通过腕带良好接地。(2)将MOSFET接入电路时，工作台和烙铁都必须良好接地，焊接时电烙铁功率应不超过25W，最好是用内热式烙铁。先焊栅极，后焊漏极与源极。(3)在测试MOSFET时，测量仪器和工作台都必须良好接地，并尽量减少相同仪器的使用次数和使用时间，从而尽快作业。MOsFET的三个电极未全部接入测试仪器或电路前．不要施加电压。改换测试范围时，电压和电流都必须先恢复到零。(4)注意栅极电压不要过限。有些型号的电力MOSFET内部输入端接有齐纳保护二极管，这种器件栅源间的反向电压不得超过0．3V，对于内部未设齐纳保护：极管的器件，应在栅源同外接齐纳保护二极管或外接其他保护电路。(5)使用MOSFET时，尽最不穿易产生静电荷的服装(如尼龙服装)。(6)在操作现场，要尽量回避易带电的绝缘体(特别是化学纤维和靼料易带电)和使用导电性物质。例如：导电性底板、空气离子化增压器等，并避免操作现场放置易产生静电的物质，保证操作现场湿度适当。当湿度过高时，可采取加温措施，正确的操作现场防静电措施。
2、防止偶然性振荡损坏器件
电力MOSFET在与测试仪器、接插盒等仪器的输入电容、输入电阻匹配不当时，可能出现偶然性振荡，造成器件损坏。因此，在用图示仪等仪器测试时，在器件的栅极端子处接lOkfl串联电阻，也可在栅源问外接约0．5妒的电容器。
(1)场效应晶体管互导大小与工作区有关，电压越低则越高。
(2)结型场效应晶体管的豫、漏极可以互换使用。
(3)绝缘栅型场效应晶体管．在栅极开路时极易受周围磁场作用，会产生瞬问高电压使栅极击穿。故在存放时，应将三个引脚短路，防止静电感应电荷击穿绝缘栅。
(4)工作点的选择，应不得超过额定漏源电压、栅源电压、耗散功率及最大电流所允许的数值。
(5)测试绝缘栅场效应晶体管时，测试仪器应良好接地，以免击穿栅极。
(6)需采取防潮措施，防止由于输入阻抗下降造成场效应晶体管性能恶化 。2100433B
除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有:
(1)漏极电压UDS--电力MOSFET电压定额
(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM--电力MOSFET电流定额
(3)栅源电压UGS-- UGS>20V将导致绝缘层击穿 。
(4)极间电容--极间电容CGS、CGD和CDS
(Field Effect Transistor简称FET )是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件，故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件，只依靠一种载流子参与导电，故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比，它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
场效应管有两大类，结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET，后者性能更为优越，发展迅速，应用广泛。图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。
一、结构与分类
图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区(用P 表示)，形成两个对称的PN结，将两个P区的引出线连在一起作为一个电极，称为栅极(g)，在N型硅片两端各引出一个电极，分别称为源极(s)和漏极(d)。在形成PN结过程中，由于P 区是重掺杂区，所以N一区侧的空间电荷层宽度远大
二、工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同，只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图Z0123所示。由于栅源间加反向电压，所以两侧PN结均处于反向偏置，栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发，经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。
1.栅源电压UGS对导电沟道的影响(设UDS=0)
在图Z0123所示电路中，UGS <0，两个PN结处于反向偏置，耗尽层有一定宽度，ID=0。若|UGS| 增大，耗尽层变宽，沟道被压缩，截面积减小，沟道电阻增大;若|UGS| 减小，耗尽层变窄，沟道变宽，电阻减小。这表明UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS负值增加到某一数值VP时，两边耗尽层合拢，整个沟道被耗尽层完全夹断。(VP称为夹断电压)此时，漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态，ID=0。
2.漏源电压UGS对漏极电流ID的影响(设UGS=0)
当UGS=0时，显然ID=0;当UDS>0且尚小对，P N结因加反向电压，使耗尽层具有一定宽度，但宽度上下不均匀，这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻，因而漏源电压UDS沿沟道递降，造成漏端电位高于源端电位，使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端，因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然，在UDS较小时，沟道呈现一定电阻，ID随UDS成线性规律变化(如图Z0124曲线OA段);若UGS再继续增大，耗尽层也随之增宽，导电沟道相应变窄，尤其是近漏端更加明显。
由于沟道电阻的增大，ID增长变慢了(如图曲线AB段)，当UDS增大到等于|VP|时，沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止，因为漏源两极间的场强已足够大，完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS (这种情况如曲线B点):当UDS>|VP|再增加时，耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分，形成夹断区 。
由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多，所以比|VP|大的那部分电压基本上降在夹断区上，使夹断区形成很强的电场，它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极，形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变，于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变，管子呈恒流特性(如曲线BC段)。但是，如果再增加UDS达到BUDS时(BUDS称为击穿电压)进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能，这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应，产生大量的新生载流予，使ID急剧增加而出现击穿现象(如曲线CD段)。
由此可见，结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。这种电压的控制作用，是场效应管具有放大作用的基础。
三、特性曲线
1.输出特性曲线
输出特性曲线是栅源电压UGS取不同定值时，漏极电流ID 随漏源电压UDS 变化的一簇关 系曲线，如图Z0124所示。由图可知，各条曲线有共同的变化规律。UGS越负，曲线越向下移动)这是因为对于相同的UDS，UGS越负，耗尽层越宽，导电沟道越窄，ID越小。
由图还可看出，输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。
◆可变电阻区:预夹断以前的区域。其特点是，当0<UDS<|VP|时，ID几乎与UDS呈线性关系增长，UGS愈负，曲线上升斜率愈小。在此区域内，场效应管等效为一个受UGS控制的可变电阻。
◆恒流区:图中两条虚线之间的部分。其特点是，当UDS>|VP|时，ID几乎不随UDS变化，保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制，两者变量之间近乎成线性关系，所以该区域又称线性放大区。
◆击穿区:右侧虚线以右之区域。此区域内UDS>BUDS，管子被击穿，ID随UDS的增加而急剧增加。
2.转移特性曲线
当UDS一定时，ID与UGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明，当UDS>|VP|后，即恒流区内，ID 受UDS影响甚小，所以转移特性通常只画一条。在工程计算中，与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示:I d=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)
式GS0127中VP≤UGS≤0，IDSS是UGS=0时的漏极饱和电流。
图为输出特性曲线
N沟道MOS场效管的转移特性曲线
N沟道MOS场效应管的输出特性曲线
场效应管基础知识介绍
场效应管基础知识介绍
场效应管基础知识介绍 一、场效应三极管的型号命名方法 第二种命名方法是 CS××#， CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号， #用字母代表同一型号中的不同规格。 例如 CS14A、CS45G等。 二、场效应管的参数 1、 I DSS — 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压 U GS=0时的漏源电流。 2、UP — 夹断电压。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。 3、UT — 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 4、gM — 跨导。是表示栅源电压 U GS — 对漏极电流 I D的控制能力，即漏极电流 I D变化量与栅源电压 UGS变化量的比值。 gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。 5、BUDS — 漏源击穿电压。是指栅源电压 UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数， 加
55V沟槽型功率场效应管设计
55V沟槽型功率场效应管设计
设计了一款55V N沟道沟槽型功率器件。通过对元胞与边端进行理论分析,结合实际工艺,对元胞与边端进行合理优化。通过对流片测试数据的分析,最终实现击穿电压为69.562V、阈值电压2.85V、特征导通电阻537.8 mΩ·cm2的功率器件设计。仿真与流片的击穿电压偏差1.5%、阈值电压偏差2.4%、导通电阻偏差0.83%,器件具有较高的可靠性。
场效应管与三极管的各自应用特点
1.场效应管的源极s、栅极g、漏极d分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似。
2.场效应管是电压控制电流器件，由vGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。
3.场效应管栅极几乎不取电流（ig»0）；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。
4.场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。
5.场效应管在源极水与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大；而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多。
6.场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。
7.场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开路电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。
8.三极管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百毫欧姆，在现在的用电器件上，一般都用场效应管做开关来用，他的效率是比较高的 。
1.场效应管可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。
2.场效应管很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
3.场效应管可以用作可变电阻。
4.场效应管可以方便地用作恒流源。
5.场效应管可以用作电子开关。
（1）场效应管是电压控制器件，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏极电流）；
（2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。
（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好；
（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数；
（5）场效应管的抗辐射能力强；
（6）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。
按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。
场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。
1、结型场效应管的分类：结型场效应管有两种结构形式，它们是N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管。
结型场效应管也具有三个电极，它们是：栅极；漏极；源极。电路符号中栅极的箭头
方向可理解为两个PN结的正向导电方向。2、结型场效应管的工作原理(以N沟道结型场效应管为例)，N沟道结构型场效应管的结构及符号，由于PN结中的载流子已经耗尽，故PN基本上是不导电的，形成了所谓耗尽区，当漏极电源电压ED一定时，如果栅极电压越负，PN结交界面所形成的耗尽区就越厚，则漏、源极之间导电的沟道越窄，漏极电流ID就愈小；反之，如果栅极电压没有那么负，则沟道变宽，ID变大，所以用栅极电压EG可以控制漏极电流ID的变化，就是说，场效应管是电压控制元件。
1、绝缘栅场效应管（MOS管）的分类：绝缘栅场效应管也有两种结构形式，它们是N沟道型和P沟道型。无论是什么沟道，它们又分为增强型和耗尽型两种。
2、它是由金属、氧化物和半导体所组成，所以又称为金属—氧化物—半导体场效应管，简称MOS场效应管。
3、绝缘栅型场效应管的工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管)它是利用UGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。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能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。
场效应管的工作方式有两种：当栅压为零时有较大漏极电流的称为耗散型；当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流的称为增强型。
场效应管应用特点