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場效�(yīng)�
閱讀�32934�(shí)間:2010-11-06 19:05:24

  場效�(yīng)管是一種電�控制��(晶體管是電流控制器件),其特性更�電子�,它具有很高的輸入阻抗,較大的功率增�,由于是電壓控制器件所以噪聲小。它還具有高輸入阻抗,較好的熱穩(wěn)定�、抗輻射�?,F(xiàn)在越來越多的電子電路都在使用場效�(yīng)�,特別是在音響�(lǐng)域更是如�,但場效應(yīng)管與晶體�又是不同的�

場效�(yīng)器的基本�(jié)�(gòu)

  場效�(yīng)管按�(jié)�(gòu)可分為結(jié)型場效應(yīng)管(縮寫為JFET)和絕緣柵場效應(yīng)管(縮寫為JGFET�,從�(dǎo)電方式看,場效應(yīng)管分為N型溝道型與P型溝道型。絕緣柵型場效應(yīng)管有增強(qiáng)型和耗盡型兩�,而JFET只有耗盡��

  一、基本結(jié)�(gòu)

  場效�(yīng)管是利用改變電場來控制半�(dǎo)體材料的�(dǎo)電特�,不是像三極管那樣用電流控制PN�(jié)的電流。因�,場效應(yīng)管可以工作在極高的頻率和較大的功率。此�,場效應(yīng)管的制作工藝簡單,是集成電路的基本單��

  場效�(yīng)管有�(jié)型和絕緣柵型兩種主要類型。每種類型的場效�(yīng)管都有柵極g、源極s和漏極d三�(gè)工作電極,同�(shí),每種類型的場效�(yīng)管都有N溝道和P溝道兩種�(dǎo)電結(jié)�(gòu)�

  絕緣柵型場效�(yīng)管又叫做MOS�。根�(jù)在外加電壓Vgs=0�(shí)是否存在�(dǎo)電溝道,絕緣柵場效應(yīng)管又可分為上增強(qiáng)型和耗盡�。增�(qiáng)型MOS管在外加電壓Vgs=0�(shí)不存在導(dǎo)電溝道,而耗盡型MOS的氧化絕緣層中加入了大量的正離子,即使在Vgs=0�(shí)也存在導(dǎo)電溝��

N溝道絕緣柵型

  N溝道絕緣柵型

  g為柵極,s為源�,d為漏�,B襯底

  �(jié)型場效應(yīng)管的�(jié)�(gòu)與絕緣柵場效�(yīng)管的�(jié)�(gòu)基本相同,主要的區(qū)別在于柵極g與通道半導(dǎo)體之間沒有絕��

N溝道和P溝道型

  N溝道和P溝道�(jié)�

  從場效應(yīng)管的基本�(jié)�(gòu)可以看出,無論是絕緣柵型還是�(jié)�,場效應(yīng)管都是兩�(gè)背靠背的PN�(jié)。電流通路不是由PN�(jié)形成�,而是依靠漏極d和源極s之間半導(dǎo)體的�(dǎo)電狀�(tài)來決定的�

半導(dǎo)體

  �、電路符�

電路符號

基本特�

  場效�(yīng)管與普通晶體管相比具有輸入阻抗�、噪聲系�(shù)�、熱�(wěn)定性好、動(dòng)�(tài)范圍大等�(yōu)�(diǎn)。它是一種壓控器�,有與電子管相似的傳輸特�,因而在高保真音響設(shè)備和集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用,其特�(diǎn)有以下一��

  1、場效應(yīng)管具有更好的熱穩(wěn)定性和較大的動(dòng)�(tài)范圍�

  2.場效�(yīng)管的噪聲是非常低的,噪聲系數(shù)可以做到1dB以下,現(xiàn)在大部分的場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)�0.5dB左右,這是一般晶體管和電子管難以�(dá)到的�

  3、高輸入阻抗容易�(qū)�(dòng),輸入阻抗隨頻率的變化比較小。輸入結(jié)電容�(反饋電容),輸出端�(fù)載的變化對輸入端影響�,驅(qū)�(dòng)�(fù)載能力強(qiáng),電源利用率��

  4.場效�(yīng)管的輸出為輸入的2次冪函數(shù),失真度低于晶體�,比膽管略大一�。場效應(yīng)管的失真多為偶次諧波失真,聽感好,高中低頻能量分配適�(dāng),聲音有密度�,低頻潛得較�,音場較�(wěn),透明感適�,層次感、解析力和定位感均有較好表現(xiàn),具有良好的聲場空間描繪能力,對音樂�(xì)節(jié)有很好表�(xiàn)�

  5.普通晶體管在工作時(shí),由于輸入端(�(fā)射結(jié))加的是正向偏�,因此輸入電阻是很低�,場效應(yīng)管的輸入�(柵極與源極之�)工作�(shí)可以施加�(fù)偏壓即反向偏壓,也可以加正向偏壓,因此增加了電路�(shè)�(jì)的變通性和多樣性。通常在加反向偏壓�(shí),它的輸入電阻更高,高達(dá)100MΩ以上,場效應(yīng)管的這一特性彌�(bǔ)了普通晶體管及電子管在某些方面應(yīng)用的不足�

  6.場效�(yīng)管的防輻射能力比普通晶體管提高10倍左右�

  7.�(zhuǎn)換速率�,高頻特性好�

  8.場效�(yīng)管的電壓與電流特性曲線與五極電子管輸出特性曲線十分相��

  場效�(yīng)管的品種較多,大體上可分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵場效應(yīng)管兩類,且都有N型溝�(電流通道)和P型溝道兩�,每種又有增�(qiáng)型和耗盡型共四類�

  絕緣柵場效應(yīng)管又稱金�(M)氧化�(O)半導(dǎo)�(S)場效�(yīng)�,簡稱MOS管。按其內(nèi)部結(jié)�(gòu)又可分為一般MOS管和VMOS管兩�,每種又有N型溝道和P型溝道兩�、增�(qiáng)型和耗盡型四��

  VMOS場效�(yīng)�,其全稱為V型槽MOS場效�(yīng)管,是在一般MOS場效�(yīng)管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高效功率開關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場效�(yīng)管輸入阻抗高(大于100MΩ)、驅(qū)�(dòng)電流�(0.1uA左右),還具有耐壓�(1200V)、工作電流大(1.5�100A)、輸出功率高(1�250W)、跨�(dǎo)線性好、開�(guān)速度快等�(yōu)良特�。目前已在高速開�(guān)、電壓放�(電壓放大倍數(shù)可達(dá)�(shù)千�)、射頻功�、開�(guān)電源和逆變器等電路中得到了廣泛�(yīng)�。由于它兼有電子管和晶體管的�(yōu)�(diǎn),用它制作的高保真音頻功�,音�(zhì)溫暖甜潤而又不失力度,備受愛樂人士青�,因而在音響�(lǐng)域有著廣闊的�(yīng)用前景。VMOS管和一般MOS管一�,也可分為N型溝道和P型溝道兩種、增�(qiáng)型和耗盡型四�,分類特征與一般的MOS管相�。VMOS場效�(yīng)管還有以下特�(diǎn)�

  1.輸入阻抗高。由于柵源之間是SiO2�,柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻,一般達(dá)100MΩ左右,交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容��

  2.�(qū)�(dòng)電流�。由于輸入阻抗高,VMOS管是一種壓控器�,一般有電壓就可以驅(qū)�(dòng),所需的驅(qū)�(dòng)電流極小�

  3.跨導(dǎo)的線性較�。具有較大的線性放大區(qū)域,與電子管的傳輸特性十分相�。較好的線性就意味著有較低的失真,尤其是具有負(fù)的電流溫度系�(shù)(即在柵極與源極之間電壓不變的情況�,導(dǎo)通電流會(huì)隨管溫升高而減�),故不存在二次擊穿所引起的管子損壞現(xiàn)�。因�,VMOS管的并聯(lián)得到了廣泛的�(yīng)��

  4.�(jié)電容無變?nèi)菪?yīng)。VMOS管的�(jié)電容不隨�(jié)電壓而變�,無一般晶體管�(jié)電容的變?nèi)菪?yīng),可避免由變?nèi)菪?yīng)招致的失真�

  5.頻率特性好。VMOS場效�(yīng)管的多數(shù)載流子運(yùn)�(dòng)屬于漂移�(yùn)�(dòng),且漂移距離�1�1.5um,不受晶體管那樣的少�(shù)載流子基區(qū)過渡�(shí)間限�,故功率增益隨頻率變化極小,頻率特性好�

  6.開關(guān)速度�。由于沒有少�(shù)載流子的存儲(chǔ)延遲�(shí)�,VMOS場效�(yīng)管的開關(guān)速度快,可在20ns�(nèi)開啟或關(guān)斷幾十A 電流�

基本原理

  要使增強(qiáng)型N溝道場效�(yīng)�(MOSFET)工作,要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS,則�(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。如圖一所��

場效應(yīng)管原理圖一

  若先不接VGS(即VGS�0),在D與S極之間加一正電壓VDS,漏極D與襯底之間的PN�(jié)處于反向,因此漏源之間不能導(dǎo)電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此�(shí)可以將柵極與襯底看作電容器的兩�(gè)極板,而氧化物絕緣層作為電容器的介�(zhì)。當(dāng)加上VGS�(shí),在絕緣層和柵極界面上感�(yīng)出正電荷,而在絕緣層和P型襯底界面上感應(yīng)出負(fù)電荷(如圖一)。這層感應(yīng)的負(fù)電荷和P型襯底中的多�(shù)載流�(空穴)的極性相�,所以稱為“反型層�,這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連接起來形成�(dǎo)電溝�。當(dāng)VGS電壓太低�(shí),感�(yīng)出來的負(fù)電荷較少,它將被P型襯底中的空穴中�,因此在這種情況�(shí),漏源之間仍然無電流ID。當(dāng)VGS增加到一定值時(shí),其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩�(gè)分離的N區(qū)溝通形成N溝道,這�(gè)臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電�),用符號VT表示(一般規(guī)定在ID�10uA�(shí)的VGS作為VT)。當(dāng)VGS繼續(xù)增大,負(fù)電荷增加,導(dǎo)電溝道擴(kuò)�,電阻降�,ID也隨之增加,并且呈較好線性關(guān)�,如圖二所示�

場效應(yīng)管原理圖二

此曲線稱為轉(zhuǎn)換特�。因此在一定范圍內(nèi)可以�(rèn)為,改變VGS來控制漏源之間的電阻,達(dá)到控制ID的作��

  由于這種�(jié)�(gòu)在VGS�0�(shí),ID�0,稱這種場效�(yīng)�(MOSFET)為增�(qiáng)�。另一類場效應(yīng)�(MOSFET),在VGS�0�(shí)也有一定的ID(稱為IDSS),這種場效�(yīng)�(MOSFET)稱為耗盡型。它的結(jié)�(gòu)如圖三所��

場效應(yīng)管原理圖三

它的�(zhuǎn)移特性如圖四所��

場效應(yīng)管原理圖四

VP為夾斷電�(ID�0)�

  耗盡型與增強(qiáng)型主要區(qū)別是在制造SiO2絕緣層中有大量的正離�,使在P型襯底的界面上感�(yīng)出較多的�(fù)電荷,即在兩�(gè)N型區(qū)中間的P型硅�(nèi)形成一N型硅薄層而形成一�(dǎo)電溝道,所以在VGS�0�(shí),有VDS作用�(shí)也有一定的ID(IDSS);當(dāng)VGS有電壓時(shí)(可以是正電壓或負(fù)電壓),改變感�(yīng)的負(fù)電荷�(shù)�,從而改變ID的大�。VP為ID�0�(shí)�-VGS,稱為夾斷電壓�

  除了上述采用P型硅作襯底形成N型導(dǎo)電溝道的N溝道場效�(yīng)�(MOSFET)�,也可用N型硅作襯底形成P型導(dǎo)電溝道的P溝道場效�(yīng)�(MOSFET)。這樣,場效應(yīng)�(MOSFET)的分類如圖五所示�

場效應(yīng)管原理圖五

  耗盡型:N溝道(圖五a);P溝道(圖c)�

  增強(qiáng)型:N溝道(圖b);P溝道(圖d)�

  為防止場效應(yīng)�(MOSFET)接電感負(fù)載時(shí),在截止瞬間�(chǎn)生感�(yīng)電壓與電源電壓之和擊穿場效應(yīng)�(MOSFET),一般功率場效應(yīng)�(MOSFET)在漏極與源極之間�(nèi)接一�(gè)快速恢�(fù)二極管,如圖六所��

場效應(yīng)管原理圖六

判別檢測

  用指針式萬用表對場效�(yīng)管�(jìn)行判�

 ?�?)用測電阻法判別�(jié)型場效應(yīng)管的電極

  根據(jù)場效�(yīng)管的PN�(jié)�、反向電阻值不一樣的�(xiàn)�,可以判別出�(jié)型場效應(yīng)管的三�(gè)電極。具體方法:將萬用表撥在R×1k檔上,任選兩�(gè)電極,分別測出其�、反向電阻值。當(dāng)某兩�(gè)電極的正、反向電阻值相等,且為幾千歐姆�(shí),則該兩�(gè)電極分別是漏極D和源極S。因?yàn)閷Y(jié)型場效應(yīng)管而言,漏極和源極可互�,剩下的電極肯定是柵極G。也可以將萬用表的黑表筆(紅表筆也行)任意接觸一�(gè)電極,另一只表筆依次去接觸其余的兩�(gè)電極,測其電阻�。當(dāng)出現(xiàn)兩次測得的電阻值近似相等時(shí),則黑表筆所接觸的電極為柵極,其余兩電極分別為漏極和源極。若兩次測出的電阻值均很大,說明是PN�(jié)的反向,即都是反向電�,可以判定是N溝道場效應(yīng)�,且黑表筆接的是柵極;若兩次測出的電阻值均很小,說明是正向PN�(jié),即是正向電�,判定為P溝道場效應(yīng)管,黑表筆接的也是柵�。若不出�(xiàn)上述情況,可以調(diào)換黑、紅表筆按上述方法�(jìn)行測�,直到判別出柵極為止�

 ?�?)用測電阻法判別場效�(yīng)管的好壞

  測電阻法是用萬用表測量場效應(yīng)管的源極與漏�、柵極與源極、柵極與漏極、柵極G1與柵極G2之間的電阻值同場效�(yīng)管手冊標(biāo)明的電阻值是否相符去判別管的好壞。具體方法:首先將萬用表置于R×10或R�100�,測量源極S與漏極D之間的電阻,通常在幾十歐到幾千歐范圍(在手冊中可�,各種不同型號的管,其電阻值是各不相同的),如果測得阻值大于正常�,可能是由于�(nèi)部接觸不�;如果測得阻值是無窮�,可能是�(nèi)部斷�。然后把萬用表置于R×10k檔,再測柵極G1與G2之間、柵極與源極、柵極與漏極之間的電阻�,當(dāng)測得其各�(xiàng)電阻值均為無窮大,則說明管是正常�;若測得上述各阻值太小或?yàn)橥?,則說明管是壞的。要注意,若兩�(gè)柵極在管�(nèi)斷極,可用元件代換法�(jìn)行檢測�

 ?�?)用感應(yīng)信號輸人法估測場效應(yīng)管的放大能力

  具體方法:用萬用表電阻的R×100�,紅表筆接源極S,黑表筆接漏極D,給場效�(yīng)管加�1.5V的電源電壓,此�(shí)表針指示出的漏源極間的電阻�。然后用手捏住結(jié)型場效應(yīng)管的柵極G,將人體的感應(yīng)電壓信號加到柵極�。這樣,由于管的放大作�,漏源電壓VDS和漏極電流Ib都要發(fā)生變�,也就是漏源極間電阻�(fā)生了變化,由此可以觀察到表針有較大幅度的擺動(dòng)。如果手捏柵極表針擺�(dòng)較小,說明管的放大能力較�;表針擺�(dòng)較大,表明管的放大能力大;若表針不動(dòng),說明管是壞��

  根據(jù)上述方法,我們用萬用表的R×100�,測�(jié)型場效應(yīng)�3DJ2F。先將管的G極開�,測得漏源電阻RDS�600Ω,用手捏?。菢O后,表針向左擺動(dòng),指示的電阻RDS�12kΩ,表針擺�(dòng)的幅度較�,說明該管是好的,并有較大的放大能力�

  �(yùn)用這種方法�(shí)要說明幾�(diǎn):首�,在測試場效�(yīng)管用手捏住柵極時(shí),萬用表針可能向右擺�(dòng)(電阻值減?�?,也可能向左擺動(dòng)(電阻值增加)。這是由于人體感應(yīng)的交流電壓較�,而不同的場效�(yīng)管用電阻檔測量時(shí)的工作點(diǎn)可能不同(或者工作在飽和區(qū)或者在不飽和區(qū))所致,試驗(yàn)表明,多�(shù)管的RDS增大,即表針向左擺動(dòng);少�(shù)管的RDS減小,使表針向右擺動(dòng)。但無論表針擺動(dòng)方向如何,只要表針擺�(dòng)幅度較大,就說明管有較大的放大能力。第二,此方法對MOS場效�(yīng)管也適用。但要注意,MOS場效�(yīng)管的輸人電阻�,柵極G允許的感�(yīng)電壓不應(yīng)過高,所以不要直接用手去捏柵�,必須用于握螺絲刀的絕緣柄,用金屬桿去碰觸柵極,以防止人體感應(yīng)電荷直接加到柵極,引起柵極擊�。第�,每次測量完畢,�(yīng)�(dāng)G-S極間短路一�。這是�?yàn)�-S�(jié)電容上會(huì)充有少量電荷,建立起VGS電�,造成再�(jìn)行測量時(shí)表針可能不動(dòng),只有將G-S極間電荷短路放掉才行�

 ?�?)用測電阻法判別無標(biāo)志的場效�(yīng)�

  首先用測量電阻的方法找出兩�(gè)有電阻值的管腳,也就是源極S和漏極�,余下兩�(gè)腳為柵極G1和第二柵極G2。把先用兩表筆測的源極S與漏極D之間的電阻值記下來,對�(diào)表筆再測量一�,把其測得電阻值記下來,兩次測得阻值較大的一�,黑表筆所接的電極為漏極D;紅表筆所接的為源極S。用這種方法判別出來的S、D極,還可以用估測其管的放大能力的方法�(jìn)行驗(yàn)�,即放大能力大的黑表筆所接的是D極;紅表筆所接地是8�,兩種方法檢測結(jié)果均�(yīng)一樣。當(dāng)確定了漏極D、源極S的位置后,按�、S的對�(yīng)位置裝人電路,一般G1、G2也會(huì)依次對準(zhǔn)位置,這就確定了兩�(gè)柵極G1、G2的位�,從而就確定了D、S、G1、G2管腳的順序�

 ?�?)用測反向電阻值的變化判斷跨導(dǎo)的大�

  對VMO� N溝道增�(qiáng)型場效應(yīng)管測量跨�(dǎo)性能�(shí),可用紅表筆接源極S、黑表筆接漏極D,這就相當(dāng)于在�、漏極之間加了一�(gè)反向電壓。此�(shí)柵極是開路的,管的反向電阻值是很不�(wěn)定的。將萬用表的歐姆檔選在R×10kΩ的高阻檔,此�(shí)表內(nèi)電壓較高。當(dāng)用手接觸柵極G時(shí),會(huì)�(fā)�(xiàn)管的反向電阻值有明顯地變�,其變化越大,說明管的跨�(dǎo)值越�;如果被測管的跨�(dǎo)很小,用此法測時(shí),反向阻值變化不大�

與晶體管的區(qū)�

  1、場效應(yīng)管是電壓控制元件,而晶體管是電流控制元�。在只允許從信號源取較少電流的情況下,應(yīng)選用場效�(yīng)管;而在信號電壓較低,又允許從信號源取較多電流的條件�,應(yīng)選用晶體��

  2、有些場效應(yīng)管的源極和漏極可以互換使�,柵壓也可正可負(fù),靈活性比晶體管好�

  3、場效應(yīng)管是利用多數(shù)載流子導(dǎo)�,所以稱之為單極型器�,而晶體管是即有多�(shù)載流�,也利用少數(shù)載流子導(dǎo)電。被稱之為雙極型器件�

  4、場效應(yīng)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�(yīng)管集成在一塊硅片上,因此場效應(yīng)管在大規(guī)模集成電路中得到了廣泛的�(yīng)��

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