场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数
场效应管的原理
1.4 场效应三极管前面介绍的半导体三极管称为双极型三极管(英文缩写为BJT)，这是因为在这一类三极管中，参与导电的有两种极性的载流子：既有多数载流子又有少数载流子。
现在将要讨论另一种类型的三极管。
它们依靠一种极性的载流子(多数载流子)参与导电，所以称为单极型三极管。
又因为这种管子是利用电场效应来控制电流的，所以也称为场效应管。
场效应管分为两大类：一类称为结型场效应管，另一类称为绝缘栅场效应管。
1.4.1 结型场效应管本节主要介绍结型场效应管的结构、工作原理和特性曲线。
一、结构图1.4.1中示出了N沟道结型场效应管的结构示意图以及它在电路中的符号。
图1.4.1 N沟道结型场效应管的结构和符合(a)结构示意图 (b)符号在一块N型硅棒的两侧，利用合金法、扩散法或其他工艺做成掺杂程度比较高的P型区(用符号表示)，则在型区和N型区的交界处将形成一个PN结，或称耗尽层。
将两侧的型区连接在一起，引出一个电极，称为栅极(G)，再在N型硅棒的一端引出源极(S)，另一端引出漏极(D)，见图1.4.1(a)。
如果在漏极和源极之间加上一个正向电压，即漏极接电源正端，源极接电源负端，则因为N型半导体中存在多数载流子电子，因而可以导电。
这外场效应管的导电沟道是N型的，所以称为N沟道结型场效应管，其电路符号见图1.4.1(b)。
注意电路符号中，栅极上的箭头指向内部，即由区指向N区。
另—种结型场效应管的导电沟道是P型的，即在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(用符号表示)，并连在一起引出栅极，然后从P型硅棒的两端分别引出源极和漏极，见图1.4.2(a)。
这就是P沟道结型场效应管，其电路符号见图1.4.2(b)所示。
此处栅极上的箭头指向外侧，即由P区指向区。
图1.4.2 P沟道结型场效应管的结构和符号(a)结构示意图 (b)符号上述两种场效应管的工作原理是类似的，下面以N沟道结型场效应管为例，介绍它们的工作原理和特性曲线。
二、工作原理从结型场效应管的结构已经看出，在栅极和导电沟道之间存在一个PN结。
场效应管的原理
第三章 场效应管知识要点：场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数场效应管是只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N 沟道器件和P 沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET 也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET （Metal Oxide Semiconductor FET ）。
1.1 1.1.1 MOS 场效应管MOS 场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS ）和耗尽型(Depletion)MOS 或DMOS ）两大类，每一类有N 沟道和P 沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极； G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极； S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管根据图3-1，N 沟道增强型MOSFET 基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO 2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N 型区，从N 型区引出电极，一个是漏极D ，一个是源极S 。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G 。
P 型半导体称为衬底，用符号B 表示。
图3-1 N 沟道增强型EMOS 管结构示意一、工作原理1．沟道形成原理当V GS =0 V 时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D 、S 之间加上电压不会在D 、S 间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜V GS ＜V GS(th)时，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P 型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。
耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流I D 。
2.3 场效应管及其应用与分析
2. 伏安特性
饱和漏极电流 夹断电压
饱和漏极电流
Ｏ
夹断电压
uGS 取正、负、零都可以，因此使用更方便。
当DNMOS管工作于放大区时，
– 3 O uGS /V
P 沟道结型FET
iD
/mA uGS
=
0
V
1V
2V
iD /mA IDSS UGS(off)
3V
O
－ uDS /V
O 3 uGS /V
当工作于放大区时,
iD
K (uGS
UGS(off) )2
IDSS (1
uGS U GS(off)
)2
例2.3.1
有四种场效应管，其输出特性或饱和区转移特性分别如 图所示，试判断它们各为何种类型管子？对增强型管， 求开启电压UGS(th) ；对耗尽型管，求夹断电压UGS ( off ) 和饱和漏极电流IDSS 。
型即 Metal－Oxide－Semiconductor
增强型
type Field Effect Transistor）
P沟道
耗尽型
2.3.1 MOS场效应管的结构、工作原理及伏安特性
一、N 沟道增强型 MOSFET 1. 结构与符号
简称NEMOS管
简化的结构示意图
2.3.1 MOS场效应管的结构、工作原理及伏安特性
IDQ=4mA 和IDQ＝1mA
由IDQ=4mA，得UGSQ= 4mA×2k= 8V，其值小于UGS(off) ， 对应的IDQ应为零，可见不合理，应舍弃。方程解应为
场效应管工作原理
场效应管工作原理场效应管（Field Effect Transistor，简称FET）是一种半导体器件，它是一种三端管，由栅极、漏极和源极组成。
场效应管是现代电子器件中使用最为广泛的一种，它具有高输入阻抗、低输出阻抗、功耗小、体积小等优点，因此在电子设备中有着广泛的应用。
那么，场效应管是如何工作的呢？接下来，我们将从场效应管的工作原理、结构特点和应用领域等方面进行介绍。
首先，让我们来了解一下场效应管的工作原理。
场效应管主要由栅极、漏极和源极三个电极组成。
当在栅极和源极之间加上一定的电压时，栅极和源极之间形成一个电场，这个电场的强弱可以通过控制栅极电压的大小来调节。
当栅极电压增大时，电场强度增大，使得漏极和源极之间的导电能力增强，从而控制了漏极和源极之间的电流。
因此，场效应管是一种电压控制型的器件，其工作原理是通过控制栅极电压来控制漏极和源极之间的电流。
其次，场效应管的结构特点也是其工作原理的重要体现。
场效应管的栅极与漏极、源极之间的绝缘层是一种极薄的氧化层，这使得场效应管具有了非常高的输入电阻。
另外，场效应管的漏极和源极之间没有PN结，因此不存在二极管的导通压降问题，漏极和源极之间的电流可以被精确地控制。
这些结构特点使得场效应管具有了高输入阻抗、低输出阻抗、功耗小等优点，适合用于各种需要高频率、高速度、低功耗的场合。
最后，让我们来了解一下场效应管的应用领域。
场效应管由于其高频率、高速度、低功耗等特点，在数字电路、模拟电路、功率放大器、射频放大器等方面有着广泛的应用。
在数字电路中，场效应管可以用作开关，实现逻辑门电路的功能；在模拟电路中，场效应管可以用作放大器，实现信号的放大和处理；在功率放大器和射频放大器中，场效应管可以实现功率放大和频率放大。
此外，场效应管还被广泛应用于集成电路中，成为集成电路中不可或缺的一部分。
综上所述，场效应管是一种电压控制型的半导体器件，其工作原理是通过控制栅极电压来控制漏极和源极之间的电流。
场效应管
D (mA) 可变电阻区
i
uGS= 0V uGS = -1V uGS = -2V uGS= -3V
u
DS
时,iD 是 vDS 的线性函数，
管子的漏源间呈现为线
性电阻，且其阻值受 vGS
控制。 （2）管压降vDS 很小。
沟道未 夹断
用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态
的电子开关。
gm
VDS
2、 极间电容： Cgs和Cgd约为1~3pF，和 Cds约为
0.1~1pF。高频应用时，应考虑极间电容的影响。
vDS 3、 输出电阻rd：rd iD
三、极限参数
VGS
1、 最大漏极电流IDM：管子正常工作时漏极电流 的上限值。
2、 最大耗散功率 PDM ：决定于管子允许的温升。
3、当vGD< VGS(off)时，vGS对iD的控制作用
当vGD = vGS - vDS <VGS(off) 时，即vDS > vGS VGS(off) > 0，导电沟道夹断， iD 不随vDS 变化 ； 但vGS 越小，即|vGS| 越大，沟道电阻越大，对同 样的vDS ， iD 的值越小。所以，此时可以通过改变
③ 场效应管的输入电阻远大于晶体管的输入电
阻，其温度稳定性好、抗辐射能力强、噪声系数小，
但易受静电影响。
④ 场效应管的漏极和源极可以互换，而互换后 特性变化不大；晶体管的集电极和发射极互换后特 性相差很大，只有在特殊情况下才互换使用。但要 注意的是，场效应管的某些产品在出厂时，已将衬 底和源极连接在一起，此时，漏极和源极不可以互 换使用。
JFET 结型
9.2 结型场效应管
一、结型场效应管的结构
8n65场效应管参数及代换
8n65场效应管参数及代换场效应管（FET）是一种重要的半导体器件，广泛应用于放大、开关和调节信号等领域。
在选择和应用FET时，了解其参数和代换方法非常重要。
本文将介绍FET的主要参数，以及在代换过程中需要注意的问题。
1. 参数（1）漏极-源极电流Idss：在栅极短路或接地的情况下，漏极-源极电压Vds=0时，漏极-源极电流的最大值。
（2）转移导纳gm：指单位电压的栅-源电流变化率，即gm=dId/dVgs。
（3）漏极电流变化率dId/dVds：在同样的Vgs下，当Vds变化时，漏极电流Id也会发生变化。
dId/dVds描述了这种变化。
（5）输出电阻ro：漏极-源极电流变化时，漏极-源极电压Vds发生的变化，即ro=dVds/dId。
（1）输入电容Ciss：表示当Vds=0时，栅极-源极之间的电容。
包括栅-漏电容Cgs和漏-源电容Cds。
2. 代换方法FET的参数代换需要根据电路的不同需求进行，一般可以采用以下方法进行代换：（1）根据输入/输出端口的使用，选择合适的模型：FET一般分为三种模型：小信号模型、大信号模型和直流模型。
小信号模型主要用于分析FET的放大特性，而大信号模型则适用于分析开关特性。
直流模型则适用于分析FET的偏置电路。
（2）计算静态放大系数µµ=gm×roAv=µ/(1+µ×Cgs×Rg)其中Rg为栅电阻。
（1）计算输入电阻由于输入端当前源的存在，需要计算输入电阻。
通常输入电阻可以简化为：Rin=(1+jωCgd)×(1+jωCgs)/(gms+jωCgs)其中ω为角频率。
输出端口一般不需要考虑高频效应，可以简化为：Rout=RdsFET的参数还会受到温度的影响，所以需要考虑温度对参数的影响。
一般可以采用以下方法：（1）计算关于温度的系数Kp和KvKp=αp×(1-ΔT/T)其中αp、αv为FET的参数温度系数，ΔT为当前温度与室温之差，T为绝对温度。
模拟电子技术基础-场效应管的参数和小信号模型
iS S
上页 下页 后退
模拟电子技术基础
式中
为跨导
rds为FET共源极输出电阻 故
上页 下页 后退
模拟电子技术基础
或者
rds很大，通常数值在几十千欧，可以忽略
微变等效电路
简化的微变等效电路
g
d
gm ugs
ugs
rds
uds
s
g
ugs s
d gmugs uds
上页 下页 后退
模拟电子技术基础
易泄露，
而栅极上的绝缘层又很薄，这将在栅极上产生很高的电
场强度，
以致引起绝缘层的击穿而损坏管子。
增强型 G
D G
S
D
耗尽型
S
上页 下页 后退
–
s
–
ig
id
+ ugs
线性
+ uds
– 网络 –
上页 下页 后退
模拟电子技术基础
N沟道
d
g
s
N沟道 d N沟道 d
g
g
s
s
uGS 反偏 或者 栅极绝缘
g
d
因此 iG= 0
gm ugs
ugs
u rds
ds
ugs 之间相当于开路
s
上页 下页 后退
模拟电子技术基础
g
ugs s
d
gm ugs
rds
uds
模拟电子技术基础
3.3 场效应管的参数和小信号模型
3.3.1 结型场效应管的主要电参数
1．直流参数
(1) 夹断电压UGS(off)
U u GS(off)
GS
U DS ID
场效应管
U GS 2 I D I DSS (1 ) UP
偏置电路
外加偏置电路
R1和R2提供一个固定栅压
R2 UG ED R1 R 2 R2 E D -I R D S R1 R 2
正常工作
UGS = UG-US
注：要求UG>US，才能提供一个正偏压，增强型管子才能
三种基本放大电路
当UDS增加到UGDUT时， 此时预夹断区域加长，伸向S极。 UDS增加的
部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本
趋于不变。 动画3-3
耗尽型MOS场效应管
N沟道耗尽型MOS场效应管结构
耗尽型MOS管存在 原始导电沟道
+++++++
耗尽型MOS管
1 gm
微变参数
5. 极间电容
主要的极间电容有：
Cgs—栅极与源极间电容 Cgd —栅极与漏极间电容
Cgb —栅极与衬底间电容
Csd —源极与漏极间电容 Csb —源极与衬底间电容 Cdb —漏极与衬底间电容
场效应管的微变等效电路
低频微变等效电路
由输出特性： ID=f(UGS,UDS)
Δ ID Δ ID Δ ID Δ I DU g0Δ U GS g dsΔ UΔ U GS 0Δ U DS Δ DS mΔ U GS Δ U GS Δ U DS DS
结型场效应管
结型场效应管（JFET)的特性曲线
与MOS的特性曲线基本相同，只不过MOS的栅压可正可负，而结型场效 应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。 转移特性曲线 输出特性曲线
UP
结 型 场 效 应 管
N 沟 道 耗 尽 型
mos管电阻
mos管电阻MOS管电阻是指在MOS场效应管中，由于通道电阻和接触电阻的存在，导致了输出端的电压随着输出电流的变化而发生变化的现象。
这种现象在放大器、开关等电路中都会出现，并且会对电路的性能产生影响。
下面将从以下几个方面详细介绍MOS管电阻。
一、MOS场效应管结构和工作原理MOS场效应管是一种三端器件，由源极、漏极和栅极组成。
其内部结构主要包括P型衬底、N型漏源区、N型栅区和金属栅极。
当施加正向偏压时，P型衬底与N型漏源区之间形成PN结，形成反向耗尽区域；当施加负向偏压时，则会形成空乏层，使得漏源之间形成一个导电通道。
此时，在栅极上施加正向或负向偏压，则可以调节漏源之间导通的程度。
二、MOS管通道电阻MOS管通道电阻是指在导通状态下，由于通道内部存在一定的电阻而产生的总体电阻值。
其大小与多个因素有关，包括通道长度、宽度、材料电阻率等。
在实际应用中，为了减小通道电阻对电路性能的影响，可以采取一些措施，如增加通道宽度、缩短通道长度等。
三、MOS管接触电阻MOS管接触电阻是指漏源区和金属接触处存在的电阻。
由于金属与半导体之间存在一定的界面反射，因此会导致漏源区的有效面积减小，从而增加了接触电阻。
为了降低接触电阻对电路性能的影响，可以采用一些技术手段，如增加金属与半导体之间的界面面积、使用高质量金属材料等。
四、MOS管输出电阻MOS管输出电阻是指在输出端口上施加一定信号时，输出端口所产生的总体电阻值。
由于输出端口不仅包括通道内部产生的通道电阻和漏源区与金属接触处产生的接触电阻，还包括外部负载所产生的负载电阻等因素。
因此，在实际应用中需要综合考虑多个因素对输出端口总体电阻的影响，并采取相应的措施来降低输出电阻。
五、MOS管电阻对电路性能的影响MOS管电阻对电路性能的影响主要表现在以下几个方面：1. 降低放大器增益：由于输出端口总体电阻的存在，会导致信号在输出端口处发生一定程度的衰减，从而降低了放大器的增益。
场效应管的特点、参数及使用注意事项
场效应管的特点、参数及使用注意事项
1.场效应管的特点
场效应管是电压掌握型器件，它不向信号源索取电流，有很高的输入电阻，而且噪声小、热稳定性好，因此宜于做低噪声放大器，特殊是低功耗的特点使得在集成电路中大量采纳。
2.场效应管的主要参数
夹断电压U P ：指当U DS 值肯定时，结型场效应管和耗尽型MOS 管的I D 减小到接近零时U GS 的值称为夹断电压。
开启电压U T ：指当U DS 值肯定时，增加型MOS管开头消失I D 时的U GS 值称为开启电压。
跨导g m ：指U DS 肯定时，漏极电流变化量Δ I D 与栅-源极电压变化量Δ U GS 之比。
最大耗散功率P CM ：指管子正常工作条件下不能超过的最大可承受功率。
3.使用留意事项
（1）场效应管的栅极切不行悬空。
由于场效应管的输入电阻特别高，栅极上感应出的电荷不易泄放而产生高压，从而发生击穿损坏管子。
（2）存放时，应将绝缘栅型场效应管的三个极相互短路，以免受外电场作用而损坏管子，结型场效应管则可开路保存。
（3）焊接时，应先将场效应管的三个电极短路，并按源极、漏极、
栅极的先后挨次焊接。
烙铁要良好接地，并在焊接时切断电源。
（4）绝缘栅型场效应管不能用万用表检查质量好坏，结型场效应管则可以。
3.4 场效应管的主要参数及小信号等效模型
应管，是栅极与沟道间PN结的反向击穿电压，对于MOS 管 ，是使绝缘层击穿时的电压。
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4
场效应管的主要参数及小信号等效模型
2. 场效应管的小信号等效模型 （1）表示场效应管特性参数的方程
iD = f (uGS，uDS)
令 ，
Q点附近gm、rds为常数。用交流正弦量的有效值可 表示为：
② 最大耗散功率PDM PDM=uDSiD，与晶体管的PCM相似。一个管子的PDM
确定后，可在输出特性曲线上画出它的临界损耗线。
③ 漏源击穿电压U(BR)DS 是漏、源极间所能承受的最大电压 ，即uDS增大到 使iD开始急剧上升时的uDS值。
④ 栅源击穿电压U(BR)GS 是栅、源极间所能承受的最大电压。对于结型场效
的最小uGS值。
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场效应管的主要参数及小信号等效模型
④ 直流输入电阻RGS 栅源间所加直流电压与产生电压对漏极电流的控制能力。
（2）极限参数 ① 最大漏极电流IDM 是管子在工作时允许的最大漏极电流。
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场效应管的主要参数及小信号等效模型
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场效应管的主要参数及小信号等效模型 （2）场效应管微变等效电路
（3）工作点处跨导gm的估算 ① 结型场效应管或耗尽型MOS 管
由
及
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有
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场效应管的主要参数及小信号等效模型
故工作点处的跨导
② 增强型MOS管 同理：
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模拟电子技术基础
3.4 场效应管的主要参数 及小信号等效模型
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1
场效应管的主要参数及小信号等效模型
场效应管工作原理是什么
场效应管工作原理是什么?场效应管工作原理是什么?场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。
它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
一、场效应管的分类场效应管分结型、绝缘栅型两大类。
结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS 场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。
若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。
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。
见下图。
二、场效应三极管的型号命名方法现行有两种命名方法。
第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。
第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。
例如,3DJ6D 是结型N沟道场效应三极管，3DO6C 是绝缘栅型N沟道场效应三极管。
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。
场效应管的工作原理
场效应管的工作原理场效应管（Field Effect Transistor，简称FET）是一种半导体器件，它具有高输入阻抗、低噪声、低功耗等特点，在电子电路中有着广泛的应用。
它的工作原理主要是通过控制栅极电场来调节源极和漏极之间的电流，从而实现信号放大、开关控制等功能。
本文将从场效应管的结构、工作原理和特点等方面进行介绍。
1. 结构。
场效应管由栅极、源极和漏极组成。
栅极与源极之间的电场可以控制源极和漏极之间的电流，因此栅极相当于晶体管的控制极，而源极和漏极则相当于晶体管的发射极和集电极。
根据不同的结构和工作原理，场效应管可以分为MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）和JFET（结型场效应管）两种类型。
2. 工作原理。
MOSFET的工作原理是基于金属-氧化物-半导体结构。
当栅极施加正电压时，在栅极和氧化物之间形成一个电场，这个电场会影响半导体中的载流子密度，从而控制源极和漏极之间的电流。
而JFET的工作原理是基于PN结的结型场效应。
当栅极施加正电压时，栅极与源极之间形成一个反型电场，这个电场会影响沟道中的载流子密度，从而控制源极和漏极之间的电流。
3. 特点。
场效应管具有许多优点，如高输入阻抗、低噪声、低功耗、频率响应好等。
由于栅极与源极之间的电场可以控制电流，因此场效应管的输入阻抗非常高，可以减小输入信号源对电路的影响。
同时，场效应管的噪声水平较低，适合用于放大弱信号。
此外，由于场效应管的控制电压较低，因此功耗也较小。
另外，场效应管的频率响应也很好，适合用于高频电路。
4. 应用。
场效应管在电子电路中有着广泛的应用，如放大器、开关、振荡器等。
在放大器中，场效应管可以用作信号放大器、运算放大器等；在开关电路中，场效应管可以用作数字开关、模拟开关等；在振荡器中，场效应管可以用作正弦波振荡器、方波振荡器等。
此外，场效应管还可以用于集成电路、功率放大器、射频电路等领域。
总结。
场效应管是一种重要的半导体器件，它具有高输入阻抗、低噪声、低功耗等特点，在电子电路中有着广泛的应用。
一文读懂场效应管的分类、结构以及原理
一文读懂场效应管的分类、结构以及原理场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写（FET））简称场效应管，是较新型的半导体材料，利用电场效应来控制晶体管的电流，因而得名。
它只有一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的半导体器件。
从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。
从场效应管的结构来划分，它有结型场效应管和绝缘栅型场效应管之分。
1.结型场效应管（1）结型场效应管结构N沟道结型场效应管的结构如下图所示，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。
两个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。
结型场效应管的结构示意图（2）结型场效应管工作原理以N沟道为例说明其工作原理。
当VGS=0时，在漏、源之间加有一定电压时，在漏源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。
当VGS《0时，PN结反偏，形成耗尽层，漏源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小，沟道继续变窄，ID继续减小直至为0。
当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS （off）。
（3）结型场效应管特性曲线结型场效应管的特性曲线有两条，一是输出特性曲线（ID=f（VDS）| VGS=常量），二是转移特性曲线（ID=f（VGS）|VDS =常量）。
N沟道结型场效应管的特性曲线如下图所示。
（a）漏极输出特性曲线（b）转移特性曲线N沟道结型场效应管的特性曲线2. 绝缘栅场效应三极管的工作原理绝缘栅场效应三极管分为：耗尽型→N沟道、P沟道增强型→N沟道、P沟道（1）N沟道耗尽型绝缘栅场效应管结构N沟道耗尽型的结构和符号如下图（a）所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。
所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。
于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。
当VGS》0时，将使ID进一步增加。
场效应管的小信号模型
3.3 场效应管的参数和小信号模型
3.3.1 场效应管的主要电参数 3.3.2 场效应管的小信号模型
模拟电子技术
3. 场效应管及其放大电路
3.3.3 场效应管的小信号模型
复习：双极型晶体管模型 电路工作在小信号状态。
ib NPN 型 或 PNP型 ic
+
c
+
ube
晶体管
uce
b
–
e
–
晶体管微变等效简化电路
b ib
+
ube rbe
_
e
ic c
+
β ib
uce
_
模拟电子技术
3. 场效应管及其放大电路
iB
b ib
ic c
iB
+
+
ube rbe
β ib
uce
_
e
_
uBE uBE
模拟电子技术
3. 场效应管及其放大电路
b ib
+
ube rbe
_
e
ic c
+
β ib
uce
_
ic ΔiC
ib2
ΔiB ib1
uCE
uce
类似，场效应管工作在小信号时也可以 建立线性小信号模型
模拟电子技术
3. 场效应管及其放大电路
ig
场效应管
id
+
d
+
ugs g FET
uds
–
s
–
ig
id
+ 线性 +
ugs
uds
– 网络 –
场效应管功能及参数介绍
2.2场效应管功能及参数介绍开关电源的基本电路由“交流一直转换电路”, “开关型功率变换器”, “控制电路”和整流稳波电路”而组成.输入的电网电压通过“交流一直流转换电路”中的整流和稳器转换成直流电,该直流电源作为“开关型功率变换器”的输入电源,经过“开关型功率更换器”将直流电转变为高频脉冲电波电压输出给“整流滤波电路”,变成平滑直流供给负载,控制电路则起着控制“开关型功率变换器”工作的作用.开关型功率变换器是开关电源的主电路,开关电源的能量转换,电压变换就由它承担.在直流变换器的基础上,由于高频脉冲技术及开关变换技术的进一步发展,出现了推挽式开关型功率变换器,全挢式开关型功率变换器,半挢式﹑单端正激式.单端反激式开关型功率变换器.其控制方法可分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频调制(PFM)两种.开关电源最重要的组件是MOSFET,它的开通和关短控制着整个电源运转.MOSFET原意是MOS(METAL OXIDE SEWILONDUCTOR,金属氧化物半导体)FET(FIELD DFFECT TRAHSISTOR,场效应晶体),即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(0),利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管.功率场应晶体管也分为结型绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semi Conductor FET),简称功率MOSFET(Power MOSPET).结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(STATIC INTUCTION TRANSISTOR,缩写为SIT).其特点是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.国际整流器公司.(在International Rectifier,缩写IR)把MOSFET用于高压的器件归纳为第3,6,9代,其中包括3,5代,而用于低压的则为第5,7,8代.功率MOSFET按导电沟通可分P沟道和N沟道;按栅极电压幅值可分为耗尽型(当栅极电压为零时漏,源极之间就存在导电沟道)和增强型(对于N或P沟道器,件栅极电压大珪或小于零时才存在导电沟道,功率MOSFET主要是N沟道增强型).2.2.1.功率MOSFET的结构功率MOSPET的内部结构和电气符号如下周所示,其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电,是单极型晶体管.导电机理与小功率MOS管相同,但结构上有极大区别.小功率MOS管是横向导电器件,功率MOSFET大都采用垂直导电结构,又称为VMOSFET.大大提高了MOSFET 器件的耐压和耐电流能力.按垂直导电结构的差异,又分为利用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的结构为多元集.如国际整流器公司的HEXFET采用六边形单元;西门子公司的STPMOSFET采用了正方形单元;摩托罗拉公司的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列.2.2.2功率MOSFET的工作方式截止:漏极间加正电源,栅源极间电压为零.P基区与N漂移区之间形成的PN结,反偏;漏源极之间无电流流过.导电:在栅源极间加正电压Vgs,栅极是绝缘的,所以不会有栅极电流流过.但栅极的正电压会将其下P区中的空穴推开.,而将P区中的少子---电子吸引到栅极下面的P区表面.当Vgs大于UT(开启电压或阀值电压)时,栅极下面P区表面的电子浓度将超过空穴的浓度,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PN结缩小消失,漏极和源极导电.2.2.3功率MOSFET的基本特性1.静态特性其转移特性和转出特性如图所示漏极电流Id和栅源间电压Vgs的关系为MOSFET的转移特性.Id较大时,Id与Vgs的关系近似线性 ,曲线的斜率定义为跨导Gfs.在恒流区内,N信道增强型MOSFET的Id可近似表示为:id=Ido(Vgs/VT-1)² (Vgs>VT)图2.3 场效应管的静态特性或取Ido是Vgs=2Vt时的id值MOSFET的漏极伏安特性(输出特性)与GTR的对应关系为:截止区对应于GTR的截止区;饱和区对应于GTR的放大区;非饱和区对应于GTR的饱和区.MOSFET工作在开关状态,即在截止区和非饱和区之间来回转换.MOSFET漏源极之间有寄生二极管,漏源极间加反向电压时器件导通.功率MOSFET的通态分数,对器件幷联时的均流有利.2.动态特性其测试电路和开关过程如下图所示,开遍延迟时间Td(on)指Vp前沿时刻到Vs等于Vt幷开始出Id的时刻间的时间段.上升时间Tr指Vgs上升到MOSFET进入非绝和区的栅压Vgsp的时间段.Id稳态值由漏级电源电压Ve和漏级负载电阻决定.Vgsp的大小和Id的稳态值有关.Vgs达到Vgsp后,在Vp作用下继续升高直至达到稳态,但Id已不变.开通时间ton指开通延迟时间与上升时间之和.关断延迟时间td(off)指Vp下降到零起,Cin通过Rs和Rg放电,Vgs按指数曲线下降到Vgsp时,Id开始减小为零的时间段.下降时间在指Vgs从Vgsp继续下降起,Id减小,到Vgs<Vt时沟道消失,Id下降到零为止时间段.关段时间 toff指关断延迟时间和下降时间之和.3.MOSFET的开关速度MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系.使用者无法降低Cin,但可降低驱动电路内阻Ro,减小时间常数,加快开关速度.MOSFET只靠多子导电,不存在少子储存效应,因而关断过程非常迅速.它的开关时间在10~100ns之间,工作频率可迖100KHE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,仍需一定的驱动动率.开关频率越高,所需要的驱动功率越大.图2.4 场效应管的开关波形4.动态性能的改进在器件应用是除了要考虑器件的电压,电流,频率外,还必须牚握在应用中如何保护器件,不使器件在瞬志变化中受损害.晶间管是两个双极型晶体管的组合,又加上因大面积带来的大电容,所以,其dv/dt能力是较为脆弱的.对di/dt来说,它还存在一个导通区的扩展问题,所以也带来相当严格的限制.功率MOSFET的情况有很大的不同.它的dv/dt及di/dt的能力常以每纳秒的能力来估量.尽管如此,它也存在动态性能的限制,对于这些,我们可以以从功率MOSFET的基本结构予以理解.图2.5 功率MOSFET的等效电路如图2.5所示,除了考虑器件的每一部分存在电容以外,还必须考虑MOSFET还幷联着一个二极管,同时,从某个角度看,它还存在一个寄生晶体管(就像IGBT)也寄生着一个晶间管一样),这几个方面是研MOSFET动态特性很重要的因素.首先,MOSFET结构中所附带的寄生二极管具有一定的雪崩能力.通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表迖.当反向di/dt很大时,二极管会承受一个速度非常快的脉冲尖制,它有可能进入雪崩区,一旦超越其雪崩能力就有可能将器件损坏.对于任一种PN结二极管来说,仔细研究其动态特性是相当复杂的.它们和我们一般理解PN结正向时导通而反向时阻断的简单概念很不相同.当电流迅速下降时,二极管有一阶段失去反向阻断能力,即所谓反向恢复时间.PN结要求迅速导通时,也会有一段时间幷不显示很低的电阻.在功率MOSFET中,一旦二极管有正向注入,所注入的少数载流子也会增加,是作务多子器件的MOSFET的复杂性.应在功率MOSFET的统计过程采取措施,使其中的寄生晶体管尽量不起作用.在不同代的功率MOSFET中所采取的措施有所不同,但总的原则是使漏极下的横向电阻Rb的值尽量小.因为,只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流,为这N区功力正偏的条件下,寄生的双极性晶阐管才开始发难.然而,在严峻的动态条件下,因dv/dt通过相应电容引起的横向电流可能足够小.此时,这个寄生的双极性晶体管就会启动,有可能给MOSFET带来损坏,所以,考虑瞬志性能时,对功率MOSFET器件内部的各个电容都必须予以注意.2.3.4 MOSFET的主要参数1.漏源击穿电压Udss:Udss通常为结温在25℃ ~150℃之间,对漏源极的击穿电压.该参数限制了MOSFET的最高工作电压,常用的MOSFET的Udss通常在1000V以下.尤其以500V及以下器件的各项性能最佳.需要注意的是,常用的MOSFET的漏源击穿电压具有正温度系数,因此在温度低于测试条件时,Udss会低于产品手册中给出的资料.2.漏极连续电流额定Id和漏极脉冲电流峰值Idm:这是标称电力MOSFET电流定额的参数,一般情况下,Idm是Id的2~4倍.工作温度对器件的漏极电流影响很大,生产厂商通常也会给出不同壳温下,允许的漏极连续电流变化情况.在计算实际器件参数时,必须考虑其损耗及散热情况得出壳温,由此核算器件的电流定额.通常在壳温为80~90℃时,器件可用的连续工作电流只有Tc=25℃时Id的60%~70%.3.漏源通态电阻Rds(on):该参数是栅源间施加一定电压(10~15V)时,漏源间的导通电阻,漏源通态电阻Rds(on)直接影响器件的通态降及损耗,通常对于额定电压低﹑电流大的器件,Rds(on)较小.此外, Rds(on)还与驱动电压及结温有关.增大驱动电压,可以减小Rds(on). Rds(on)具有正的温度系数随着结温的升高而增加,这一特性使MOSFET幷联运行较为容易.4.栅源电压Ugss:由于栅源之间的SiQ2绝缘层很薄,Ugs｜>20V时将导致绝/缘层击穿.因此在焊接﹑驱动等方面必须注意.5.跨导Gfs:在规定的工作点下,MOSFET转移特性曲线的斜率称为该器件跨导,即Gfs=Did/dugs6.极间电容:MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容Cgs﹑Cgd和Cds.,一般生产厂商提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss﹑共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss.它们之间的关系是:Ciss=Cgs+CgdCrss=CgdCoss=Cgd+Cds尽管MOSFET是用栅源间电压驱动的,阻抗很高,但由于存在输入电容Ciss,开关过程中驱动电路要对输入电容充放电.这样,用作高频开关时,驱动电路必须具有很低的内阻抗及一定的驱动电流能力.2.2.5米勒效应与米勒电容值和三极管一样,米勒效应和米电容值是MOSFET高频环路的一重要参数,在图下44中是一个简单的高频晶体管模型,图中产生一个负载电阻连接到输出,在这里我们确定电流增益,目的就是为了论证米勒效应.在输入结点a上,我们利用KCL电流环路,可以写出如下方程:Ii=jwCgsVgs+jwCgd(Vgs-Vds) ①在这里Ii是输入电流,类似地在输出结点b上的点输出电流为:Vds/RL+gmVgs+jwCgd(Vds-Vgs)=0 ②我们可以联立①②消去Vds,输入电流可以为:Ii=jw{Cgs+Cgd[1+gmRL/1+jwRLCgd]}Vgs ③一般情况下,(wRLCgd)远比1小,因此我们可以忽略jwRLCgd,因此③方程可以写为:Ii=jw[Cgs+Cgd(1+gmRL)]Vgs ④而由我们以前关于米勒电容的描述方程,参数Cm,即米勒电容值可表示如下:Cm=Cgd(1+gmRL).在方程⑤中可以清楚地表明附加D极迭加电容的等效容值,当晶体管被偏置在饱和区时,作为放大电路中,总的Cgd电容值主要是迭加电容,由于米勒效应迭加电容会翻倍,并且在一个限定的放大宽带里会变成一个有意义的参数,追求小的迭加电容是其结构的又一挑战.MOSFET的关断频率ft被定义为在电流增益为1时的频率,或是输入电流Ii的幅值等于理想负载电流Id,即Ii=jw(Cgs+Cm)Vgs;理想负载电流:Id=gmVgs ⑥因此电流幅度的增益为:∣Ai∣=∣Id∣/∣Ii∣∣Ai∣＝∣Id∣/∣Ii∣=gm/2πf(Cgs+Cm) ⑦∣Ai∣=1,我们可以得到关断频率Ft=gm/2π (Cgs+Cm) = gm/2πCG在这里CG是一个输入g极电容的等效值.2.2.6 MOSFET的驱动驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口,是实现主电路中电力电子器件按照预定的设想运行的重要环节.采用性能良好驱动电路,可以使电力电子器件工作在较为理想的开关状态,缩短开关时间,减小开关损耗.此外,对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中,或通过驱动电路实现,因此驱动电路对装置的运行效率﹑可靠性和安全性都有重要的影响.驱动电路的基本任务是将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间﹑可以使其开通或关断的信号.同时驱动电路通常还具有电气隔离及电力电子器件的保护等功能.电气隔离是实现主电路间电量的隔离,在含有多个开关器件的电路中,电气隔离通常是保证电路正常工作的必要环节,同时电气隔离可以减少主电路开关噪声对控制电路的影响,幷提高控制电路的安全性.电气隔离一般采用光隔离(如光耦合器)或磁隔离(如脉冲变压器)来实现.MOSFET为电压驱动型器件,其静态输入电阻很大,所以需要的驱动功率较小.但由于栅源间﹑栅射间存在输入电容,当器高频通断时,电容频繁充放电,为快速建立驱动电压,要求驱动电路输出电阻小,且具有一定的驱动功率.MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V,在器件关断时,对器件施加反向电压可减小关断时间,保证器件可靠关断,反向电压一般为0~15V.此外,在栅极驱动回路中,通常需串入一个低值电阻(数欧至数十欧),以减小寄生振荡,该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小.2.2.7 MOSFET的栅极驱动电流和驱动电阻的算法在MOSFET的驱动中,它不像双晶体一样,要使用精确的逆向电流才能使晶体管关闭,这是由于MOSFET为多数载流子的半导体,因此只要将栅极额到源极电压移去,就可将MOSFET关闭.移去栅极电压时,这时漏源之间会呈现很高的阻抗,因而除了漏电流外,可抑制其它电流的产生.MOSFET的直流输入阻抗是非常高的.在Vgs等与10V时,其栅极电流只是毫安级的.因此一旦栅极被驱动起来,在Vgs等与10V时,这个电流可以被忽略.然而,在栅-源极间有一个相当大的电容值,这就需要一个相对大的电流值,使栅极至源极电压脉冲波必须传输足够的电流,在期望的时间内,给输入电容器充电, 假如Vgs等与10V时来驱动栅极的开关来控制漏极电流的开关速率,在这里栅极驱动电流值一定要被精确算出来.在图2.6中,在Vgs等与10V时,Ig由两部分I1和I2组成,包括两个电容C1何C2.其中是栅极到源极的的结电容,可用Ciss来表示,C2是栅极到漏极的结电容,可用Crss来表示.对于在开通时间Tr,栅-源电压为10V时,栅极所需的驱动电流I1为图2.6 场效应管的工作电路然而,当驱动电流达到10V时,漏极的开关电压是从Vdc到Vgs之间的变动,有时会被带的更低.由于在此期间C2最高变动电压为Vdc,最低变动为10V.所以在此期间其所需的驱动电流I2为此外,驱动电压源阻抗Rg必须很低,目的就是为了实现晶体管的高速开关作用,这里我们有下面一个简略的公式可以大体算出2.2.8 MOSFET栅极驱动的优化设计MOS管的驱动对于MOS管的工作效果起着决定性的作用.我们往往既要考虑减少开关损耗,又要求驱动波形较好,即振荡小.过冲小,EMI 小,这往往是立相矛盾的;需要寻求一个平衡点即驱动电路的优化设计.优化驱动电路设计包含两个部分,一是最优化的驱动电流,电压的波形,二是最优化的驱动电压,电流的大小.在驱动电路优化设计之前我们必须先清楚MOS管的模型,MOS管的开关过程,MOS[管的栅极电荷以及MOS管有的输入输出电荷,跨越电荷,等效电荷等参数对驱动的影响.(1)MOS管的模型MOS管的等效电路模型及寄生参数如下图所示.其中LP和R9代表封装端到实际的栅极间线路的电感和电阻.C1代表从栅极到源端N4间的电阻,它的值是由结构因的.C2+C4代表从栅极到源P区间的电容,C2是电介质电容,其值是因定的,而C4由源极到漏极的耗尽区的大小决定,幷随栅极电压的大小而改变.当栅极电压从0升到Vgs(th)时,C4使整个栅极源电容增加10%~15%.C3+C5也是由一个固定大小的电介质电容和一个可变电容构成,当漏极电压改变极性时,其可变电容变得相当大.C6也是随漏极电压变换的漏涛电容.MOS管的输入ˋ输出电容ˋ跨越电容和栅源电容,栅漏电容,漏源电容间的关系如下:Ciss=Cgs+Cgd~C1+C4+C5;(Crss=Cgd~C5)Coss=Cds+Cgd~C5+C6(2)MOS管的开通过程开关管的开关模式电路如下所示,二极管可以是外接的或MOS管已有的,.开关管在开通时的二极管电压,电流波形如下图所示.在图中阶段1.开关管关断,开关电流为零,此时二极管电流和电感电流相等;在阶段2开关打开,开关电流上升,同时二极管电流下降.开关电流上升的斜率和二极管电流下降的斜率的绝对值相同,符号相反;在阶段3开关电流继续上升,二极管电流继续下降,幷且二极管从负的反向最大电流Irrm开始减小,开关管的从正的最大电流也开始减小,它们斜率的绝对值相等;在阶段5开关管完全开通,二极管的反向恢复完成.开关管电流等于电感电流.下图二是存储电荷高或低的两种二极管电流,电压波形.从图中我们可以看出存储电荷少,即在空载或轻载时是最坏条件.所以我们优化驱动电路设计时应着直考虑前置电流低的情况,即空载或轻载的情况,应使这时二极管产生的振动在可接受范围内.(3)栅极电荷Qg和驱动效果的关系栅极电荷Qg是使栅极电压0从升到10v所需的栅极电荷,它可以表示为驱动电流X开通时间或栅极电容X栅极电压.现在大部分MOS 管的栅极电荷Qg值从几十nC到一二百nC.栅极电荷Qg包括栅极到源极电荷Qgs和栅极到漏极电荷,Qgd,即密勒电荷.Qgs是使栅极电从0升到门限值(约3v)所需电荷;Qgd是漏极电压下降时克服密勒效应所需电荷.这存在于Vgs,曲线比较平坦的第二段(如图一所示),此时栅极电压不变,栅极电荷积聚而漏极电压急剧下降,也就是在这时候需要驱动尖峰电流限制,这由苾片内部完成或外接电阻完成.实际的Qg还可以略大,以减小等效Ron,但是太大也不益,所以10v到12v的驱动电压是比较合理的.这还包含一个重要的事实:需要一个高的尖峰电流以减小MOS管损耗和转换时间.重要的是,对于IC来说,MOS管的平均电容负荷幷不是MOS管的输入电容Ciss,而是等效输入电容Ceff:Ceff=Qg/Vgs,即整个0<Vgs<Vgs(th)的等效电容,而Ciss只是Vgs=0时的等效电容.漏极电流大Qg波形的Qgd阶段出现,此时漏极电压依然很高,MOS管的损耗此时最大,幷随Vds的减小而减小.Qgd的大部分用来减小Vds 从关断电压到Vgs(th)产生的密勒效应.Qg波形第三段的等效负载电容是: Ceff=[Qg-(Qgd+Qgs)]/[10v-Vgs(th)](4)优化栅极驱动设计在大多数的开关功率应用电路中,当栅极被驱动,开关导通时漏极电流上升的速度是漏极电压下降速度的几倍,这将造成功率损耗增加.为了解决问题,我们可以增加栅极驱动电流,但增加栅极驱动电流上升斜率又将带来过冲.振荡EMI等问题.为了优化栅极驱动设计,这些互相矛盾的要求必须寻求一个平衡点,而这个平稀点就是开关导通蛙漏极电流上升的速度和漏极电压下降速度相等这样一种波形,理想的驱动波形如下图所示:图中的Vgs波形包括了这样几部分:Vgs第一段是快速上升到门限电压;Vgs第二段是比较缓的上升速度以减慢漏极电流折上升速度,但此时的Vgs也必须满足所需的漏极电流值;Vgs第四段快速上升使漏极电压快速下降;Vgs第五段是充电到最后的值.当然,要得到完全一样的驱动波形是很困难的,但是可以得到一个大概的驱动电流波形,其上升时间等于理想的漏电压下降时间或漏极电流上的时间,幷且具有足够的尖峰值来充电开关期间的较大等效电容.该栅极尖峰电流Ip的计算是:电荷必须完全满足开关时期的寄生电容所需,即Qg=Ip*ton/2 而Qg=Ciss[2.5Vgs(th)+Id/Gm]+Crss(Vdd-Vgs(th))其中ton=tn+td+tr 所以Ip=2/ton Ciss[2.5Vgs(th)+Id/Gm]+Crss[Vdd-Vgs(th)]2.2.9.MOS上的热耗计算半导体的失效率通过多年的测试才能更好的估计出与温度之间的关系,在这里重现出内部的图面,如下所示:这是一幅从统计学上预计了NPN硅晶体管的特性,它也表明了一般大多数电子元器件随温度上升的快速增长失效率.特别是在高温下,其作用十分明显.如一个晶体管在180度时的寿命只有在25度时的1/20,或者可以说有20倍的失效率.图2.7 半导体内部的图面明显的,当有更多的类型的元器件导入到电源中时,其失效率就对高温更加的敏感.因此,对一个电源来讲,必须考虑它的温升,在组件的选用时更是如此.因此在这里考虑MOS的温升是十分有必要的.(1)在MOS上的热量分析(与电路中的电流相当)明显,根部是管中最热的地方,由左向右传递,最后到达散热器中,这个散热器与空气环境相连.存在一个热传导器与散热器相连.其传导率Q由Fourier定理来求:Q=(A*Td)/(L*Rθ)在此,Q为热率, Td为两部分的温度差,A为穿过部分的面积,L为传导长度也即传导宽度. Rθ为结与空气间的热阻.A和L是物理数据,在此可以近似的表示为:QαTd/Rd 与 I=V/R 相似的但这一公式只适用于一般的固体热传导.若是用热管来传导,将有一个不是线性的热阻,则就不遵循这一平衡.而在热传导不好的金属中,在一般的晶体温度下各种随温度的热阻是微不足道的,可以把其忽略.(2)热阻Rθ(相当于电路中的电阻)任以以上为例,假定消耗了10J/S(Q=10W),热量也跟着消耗(在此相对于10A电流)将加重内部的温差Td, 在热阻上相应的就有热量发出.当一稳态被建立,在内部的温度可能被聚集起来由于温度的上升和热阻的散热.在本例中,是由边缘的表面与空气交换温度.内部温度恒定,其它形式的温度在内部能通过由右到左集累.如图,可见其关系式图2.8 热阻等效由上图可见,可以认为有三个热阻Rjc,Rch,Rha.其中从右至左, Rha是最重要的,因它在其中是最大的.它指由边缘传热到空气中的热阻值.第二个Rch指有一个来自边缘通过云母绝热片,到达MOS的表壳.而最后一个Rjc是指壳到内部结点的热阻.为方便,可以认为每一部分的热阻都是独立的,在内部开始交换.这样,等同于电路中的电阻,则有其整个的热阻为Rθ= Rjc+Rch+Rha.可以用这个来衡量由结点到空气的总的温度差.用公式表示为:T=Q*Rθ (其中的T为温升, Q为结点上的消耗.)(3)结温的计算由以上可见,因损耗机易被知道,MOS的结温很容易就被建立.而在实际中,开关模式中的损耗是机难建立的,由于这样的因素,我们必须建立热模型,通过测俩不同的温度下穿过内部已知热阻的热量来算.温差可以由每秒中结上产生的热量和热阻来定义.由前图给出,已知热率和温差.对每一个热器件,可以用下式表示:△T=Wj* Rθ (其中△T为温差, Wj为结上的损耗)不同内部的温度可以用下式表示:热器表面温度Th:Th=( Wj* Rha)+Tamb (其中的Tamb为空气温度)MOS表面的温度:Tds=[ Wj*( Rch+Rha)]+ Tamb结温度是整个穿过组件的温度,包括环境温度:Tj=[ Wj*( Rjc+Rch+Rha)]+ Tamb由以上可知,如果在结上的能耗和热阻到热器或者散热器上的损耗已知,那幺这个结和内部的温度就可以被清楚计算,若果散热器上的温度被测量出来和热阻已知的情况下,结温损耗也就可以知道了.。
场效应管
iD
d
6
4
2
可 6 变 电 恒流区 4 阻 区
2
vGS
-4 -2 0 2 0
截止区
vDS
2 4 6 8
其它类型MOS管
（2）P沟道增强型：VGS = 0时，ID = 0 开启电压小于零，所以只有当VGS < 0时管 子才能工作。
s P
g
d
P PN结
N 衬底
其它类型MOS管
（3）P沟道耗尽型：制造时在栅极绝缘层中掺有大量 的负离子，所以即使在VGS=0时，由于负离子的作用， 两个P区之间存在导电沟道（类似结型场效应管）。
ID
工作原理
(c) VDS夹端长度 场强 ID=IDSS基本不变。
ID
3. 输出特性
输出特性: 表示vGS一定时，iD与vDS之间的变化关系。
iD f (vDS ) V
GS
iD
(1) 截止区（夹断区） 如果VP= -4V， VGS= -4V以下区域就是 截止区 VGS VP ID=0
2. 工作原理
ID
（1）VGS对导电沟道的影响：
(a) VGS=0，VDS=0,ID=0
栅源之间是反偏的PN结， RGS>107，所以IG=0
工作原理
(b) 0< VGS < VP VGS 耗尽层变宽
(c) |VGS | = VP ， 导电沟道被全夹断 VP(VGS(OFF) )：夹断电压
可 6 变 电 4 阻 区
V -VDS = VP GS
预夹端轨迹
V =0V GS
恒流区
V =-2V GS
截止区
2 V =-4V GS 0 2 4 6 8 10 12 vDS
小信号场效应管
小信号场效应晶体管是一种特殊的半导体器件，它具有很高的输入电阻和优异的跨导性能，通常用于放大电路和电子设备中。
本文将介绍小信号场效应管的原理、特点、应用和注意事项。
一、原理小信号场效应管的工作原理基于半导体表面的电导率受控制源极和栅极电压影响的特点。
当源极加电压时，半导体表面形成导电沟道；而当栅极电压改变时，导电沟道可以轻松地开关源极/漏极之间的电流。
因此，小信号场效应管具有很高的输入电阻和跨导，可以适应不同频率和不同强度的信号。
二、特点1. 输入电阻高：小信号场效应管具有极高的输入电阻，通常在兆欧级别以上，这使得它能够有效地隔离信号源和电路，提高了电路的稳定性和可靠性。
2. 输出功率大：与普通晶体管相比，场效应管具有更高的输出功率，这使得它能够更好地驱动负载，提高了电路的效率。
3. 频率响应快：小信号场效应管的跨导不受频率的影响，这使得它能够适应高频率的信号，从而提高了电路的响应速度。
4. 抗干扰能力强：场效应管具有很好的噪声抑制能力，这使得它能够在恶劣环境下稳定工作。
三、应用小信号场效应管在各种电子设备中都有广泛的应用，如音频和视频放大器、通信设备、自动控制系统等。
它可以作为放大器中的核心元件，放大微弱信号，提高电路的灵敏度。
此外，它还可以作为电子设备的开关元件，控制电流的通断。
在高频电路中，场效应管还可以作为有源滤波器、放大器等元件使用。
四、注意事项1. 选择合适的型号和规格：根据电路的需求选择合适的小信号场效应管型号和规格，注意不同型号的场效应管性能和特点的差异。
2. 注意极性：在使用小信号场效应管时，要确保正确连接极性，否则可能会损坏元件或导致电路故障。
3. 合理设置栅极电压：过高的栅极电压可能会引起漏极电流的增加，从而影响电路的性能。
因此，要合理设置栅极电压。
4. 避免过热：长时间工作可能会导致小信号场效应管发热，因此要合理安排电路的工作时间，并注意散热。
5. 避免过高电压：在高电压电路中使用小信号场效应管时，要特别注意避免过高的电压导致元件损坏。
场效应管及其参数符号意义概要
场效应管及其参数符号意义场效应管（英缩写FET ）是电压控制器件，它由输入电压来控制输出电流的变化。
它具有输入阻抗高噪声低，动态范围大，温度系数低等优点，因而广泛应用于各种电子线路中。
供应信息需求信息一、场效应管的结构原理及特性场效应管有结型和绝缘栅两种结构，每种结构又有N 沟道和P 沟道两种导电沟道。
1、结型场效应管（JFET ）（1）结构原理它的结构及符号见图1。
在N 型硅棒两端引出漏极D 和源极S 两个电极，又在硅棒的两侧各做一个P 区，形成两个PN 结。
在P 区引出电极并连接起来，称为栅极Go 这样就构成了N 型沟道的场效应管图1、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，从图1中可见，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。
（2）特性曲线1）转移特性图2（a ）给出了N 沟道结型场效应管的栅压---漏流特性曲线，称为转移特性曲线，它和电子管的动态特性曲线非常相似，当栅极电压VGS=0时的漏源电流。
用IDSS 表示。
VGS 变负时，ID 逐渐减小。
ID 接近于零的栅极电压称为夹断电压，用VP 表示，在0≥VGS ≥VP 的区段内，ID 与VGS 的关系可近似表示为：ID=IDSS（1-|VGS/VP|）其跨导gm 为：gm=（ID/VGS △△）|VDS=常微（微欧）|式中：ID △-----漏极电流增量（微安）VGS △-----栅源电压增量（伏）图2、结型场效应管特性曲线2）漏极特性（输出特性）图2(b给出了场效应管的漏极特性曲线，它和晶体三极管的输出特性曲线很相似。
①可变电阻区（图中I 区）在I 区里VDS 比较小，沟通电阻随栅压VGS 而改变，故称为可变电阻区。
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场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数
场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半
导体器件。
有N沟道器件和P沟道器件。
有结型场效应三极管
JFET(JunctionFieldEffectTransister)和绝缘栅型场效应三极管
IGFET(InsulatedGateFieldEffectTransister)之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET(MetalOxideSemIConductorFET)。
MOS场效应管
有增强型(EnhancementMOS或EMOS)和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS)两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电
极：
D(Drain)称为漏极，相当双极型三极管的集电极;
G(Gate)称为栅极，相当于双极型三极管的基极;
S(Source)称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管
道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半
导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘
层上镀一层金属铝作为栅极G。
P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。
一、工作原理
1.沟道形成原理
当Vgs=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上
电压，不会在D、S间形成电流。