功率场效应晶体管(MOSFET)原理及其驱动
功率场效应晶体管(MOSFET)原理
功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理
电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。如果在栅极和源极之间加一正向电压U GS，并且使U GS大于或等于管子的开启电压U T，则管子开通，在漏、源极间流过电流I D。U GS超过U T越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数
Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。{{分页}}
1、静态特性
（1）输出特性
输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线，如图2(b)所示。由图所见，输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与GTR不同。饱和是指漏极电流I D不随漏源电压U DS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指地U CS 一定时，I D随U DS增加呈线性关系变化。
（2）转移特性
转移特性表示漏极电流I D与栅源之间电压U GS的转移特性关系曲线，如图2(a)所示。转移特性可表示出器件的放大能力，并且是与GTR中的电流增益β相似。由于Power MOSFET是压控器件，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义为
（1）
图中U T为开启电压，只有当U GS=U T时才会出现导电沟道，产生漏极电流I D。2、主要参数
（1）漏极击穿电压BU D
BU D是不使器件击穿的极限参数，它大于漏极电压额定值。BU D随结温的升高而升高，这点正好与GTR和GTO相反。
（2）漏极额定电压U D
U D是器件的标称额定值。
（3）漏极电流I D和I DM
I D是漏极直流电流的额定参数；I DM是漏极脉冲电流幅值。
（4）栅极开启电压U T
U T又称阀值电压，是开通Power MOSFET的栅-源电压，它为转移特性的特性曲线与横轴的交点。施加的栅源电压不能太大，否则将击穿器件。
（5）跨导g m
g m是表征Power MOSFET 栅极控制能力的参数。{{分页}}
三、电力场效应管的动态特性和主要参数
1、动态特性
动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系，它影响器件的开关过程。由于该器件为单极型，靠多数载流子导电，因此开关速度快、时间短，一般在纳秒数量级。Power MOSFET的动态特性。如图3所示。
Power MOSFET 的动态特性用图3(a)电路测试。图中，u p为矩形脉冲电压信号源；R S为信号源内阻；R G为栅极电阻；R L为漏极负载电阻；R F用以检测漏极电流。
Power MOSFET 的开关过程波形，如图3(b)所示。
Power MOSFET 的开通过程：由于Power MOSFET 有输入电容，因此当脉冲电压u p的上升沿到来时，输入电容有一个充电过程，栅极电压u GS按指数曲线上升。当u GS上升到开启电压U T时，开始形成导电沟道并出现漏极电流i D。从u p前沿时刻到u GS=U T，且开始出现i D的时刻，这段时间称为开通延时时间t d(on)。此后，i D随u GS的上升而上升，u GS从开启电压U T上升到Power MOSFET临近饱和区的栅极电压u GSP 这段时间，称为上升时间t r。这样Power MOSFET的开通时间
t on=t d(on)+t r(2)
Power MOSFET的关断过程：当u p信号电压下降到0时，栅极输入电容上储存的电荷通过电阻R S和R G放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到u GSP继续下降，
i D才开始减小，这段时间称为关断延时时间t d(off)。此后，输入电容继续放电，u GS继续下降，i D也继续下降，到u GS< SPAN>T时导电沟道消失，i D=0，这段时间称为下降时间t f。这样Power MOSFET 的关断时间
t off=t d(off)+t f (3)
从上述分析可知，要提高器件的开关速度，则必须减小开关时间。在输入电容一定的情况下，可以通过降低驱动电路的内阻R S来加快开关速度。
电力场效应管晶体管是压控器件，在静态时几乎不输入电流。但在开关过程中，需要对输入电容进行充放电，故仍需要一定的驱动功率。工作速度越快，需要的驱动功率越大。{{分页}}
2、动态参数
（1）极间电容
Power MOSFET的3个极之间分别存在极间电容C GS，C GD，C DS。通常生产厂家提供的是漏源极断路时的输入电容C iSS、共源极输出电容C oSS、反向转移电容C rSS。它们之间的关系为
C iSS=C GS+C G
D (4)
C oSS=C GD+C DS (5)
C rSS=C GD(6)
前面提到的输入电容可近似地用C iSS来代替。
（2）漏源电压上升率
器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制，过高的du/dt可能导致电路性能变差，甚至引起器件损坏。
1、正向偏置安全工作区
正向偏置安全工作区，如图4所示。它是由最大漏源电压极限线I、最大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ和最大功耗限制线Ⅳ，4条边界极限所包围的区域。图中示出了4种情况：直流DC，脉宽10ms，1ms,10μs。它与GTR安全工作区比有2个明显的区别：①因无二次击穿问题，所以不存在二次击穿功率P SB限制线；②因为它通态电阻较大，导通功耗也较大，所以不仅受最大漏极电流的限制，而且还受通态电阻的限制。
2、开关安全工作区
开关安全工作区为器件工作的极限范围，如图5所示。它是由最大峰值电流I DM、最小漏极击穿电压BU DS和最大结温T JM决定的，超出该区域，器件将损坏。
3、转换安全工作区
因电力场效应管工作频率高，经常处于转换过程中，而器件中又存在寄生等效二极管，它影响到管子的转换问题。为限制寄生二极管的反向恢复电荷的数值，有时还需定义转换安全工作区。
器件在实际应用中，安全工作区应留有一定的富裕度。
1、电力场效应管的驱动电路
电力场效应管是单极型压控器件，开关速度快。但存在极间电容，器件功率越大，极间电容也越大。为提高其开关速度，要求驱动电路必须有足够高的输出电压、较高的电压上升率、较小的输出电阻。另外，还需要一定的栅极驱动电流。
开通时，栅极电流可由下式计算：
I Gon=C iSS u GS/tr=(G GS+C GD)u GS/ t r(7)
关断时，栅极电流由下式计算：
I Goff=C GD u DS/t f(8)
式（7）是选取开通驱动元件的主要依据，式（8）是选取关断驱动元件的主要依据。
为了满足对电力场效应管驱动信号的要求，一般采用双电源供电，其输出与器件之间可采用直接耦合或隔离器耦合。
电力场效应管的一种分立元件驱电路，如图6所示。电路由输入光电隔离和信号放大两部分组成。当输入信号u i为0时，光电耦合器截止，运算放大器A输出低电平，三极管V3导通，驱动电路约输出负20V驱动电压，使电力场效应管关断。当输入信号u i为正时，光耦导通，运放A输出高电平，三极管V2导通，驱动电路约输出正20V电压，使电力场效应管开通。{{分页}}
MOSFET的集成驱动电路种类很多，下面简单介绍其中几种：
IR2130是美国生产的28引脚集成驱动电路，可以驱动电压不高于600V电路中的MOSFET，内含过电流、过电压和欠电压等保护，输出可以直接驱动6个MOSFET 或IGBT。单电源供电，最大20V。广泛应用于三相MOSFET和IGBT的逆变器控制中。
IR2237/2137是美国生产的集成驱动电路，可以驱动600V及1200V线路的MOSFET。其保护性能和抑制电磁干扰能力更强，并具有软启动功能，采用三相栅极驱动器集成电路，能在线间短路及接地故障时，利用软停机功能抑制短路造成过高峰值电压。利用非饱和检测技术，可以感应出高端MOSFET和IGBT的短路状态。此外，内部的软停机功能，经过三相同步处理，即使发生因短路引起的快速电流断开现象，也不会出现过高的瞬变浪涌过电压，同时配有多种集成电路保护功能。当发生故障时，可以输出故障信号。
TLP250是日本生产的双列直插8引脚集成驱动电路，内含一个光发射二极管和一个集成光探测器，具有输入、输出隔离，开关时间短，输入电流小、输出电流大等特点。适用于驱动MOSFET或IGBT。
、
2电力场效应管的保护措施
电力场效应管的绝缘层易被击穿是它的致命弱点，栅源电压一般不得超过±20V。因此，在应用时必须采用相应的保护措施。通常有以下几种：
（1）防静电击穿
电力场效应管最大的优点是有极高的输入阻抗，因此在静电较强的场合易被静电击穿。为此，应注意：
①储存时，应放在具有屏蔽性能的容器中，取用时工作人员要通过腕带良好接地；
②在器件接入电路时，工作台和烙铁必须良好接地，且烙铁断电焊接；
③测试器件时，仪器和工作台都必须良好接地。
（2）防偶然性震荡损坏
当输入电路某些参数不合适时，可能引志震荡而造成器件损坏。为此，可在栅极输入电路中串入电阻。
（3）防栅极过电压
可在栅源之间并联电阻或约20V的稳压二极管。
（4）防漏极过电流
由于过载或短路都会引起过大的电流冲击，超过I DM极限值，此时必须采用快速保护电路使用器件迅速断开主回路。
电动自行车控制器MOSFET驱动电路的设计
1、概述
电动自行车具有环保节能，价格合适，无噪声，便利等特点，因此，电动自行车成为当今社会人们主要的代步工具。与此同时，消费者和商家对整车的质量及可靠性要求也越来越高，作为整车四大件之一的电动车控制器的可靠性显得尤为重要。功率MOSFET以及相关的驱动电路的设计直接与控制器的可靠性紧密相关，尤其是在续流侧方面，MOSFET的驱动电路设计不当，续流侧MOSFET很容易
损坏，因此本文就如何测量、分析与调整控制器的MOSFET驱动线路来提高MOSFET的可靠性作一些研究，以便能够为设计人员在设计产品时作一些参考。 2、MOSFET开关过程及MOSFET参数模型
.1 MOSFET开通过程中的波形见图1所示，其开通的过程可分为四个阶段： 阶段A、t0—t1：门极电压Vgs由0V逐渐上升至Vth，在此期间内MOSFET关闭，Vds不变，Id=0A。
阶段B、t1—t2：门极电压Vgs由Vth上升至平台电压Vp，门极电压为Cgs充电。在此期间内MOSFET开始导通并进入饱和状态，Vds基本保持不变，Id由0上升至Id（max）。
阶段C、t2—t3：门极电压Vgs保持不变，门极电压为Cgd充电。在此期间内MOSFET仍处于饱和状态，Vds迅速下降，Id保持不变。
阶段D、t3—t4：门极电压Vgs由Vp继续上升，在此期间内MOSFET退出饱和状态进入完全导通状态。 MOSFET关断时波形与开时
再相反，在此不赘述。
2.2 MOSFET寄生参数模型如图2所示。
由于MOSFET的结构、引线和封装的影响，在MOSFET制作完成后，其各引脚间存在PN结寄生电容和寄生电感，引脚上存在引线电感。由于源极的引线较长，Ls一般要比Ld大。右图为简化的MOSFET参数模型。因此，我们在实际的开关应用中应特别注意寄生电容和引线电感对开关波形的影响，特别是在负载为电感性负载时更应注意。MOSFET的输入电容、反向传输电容和输出电容分别表示如下：
Ciss=Cgs+Cgd
Crss=Cgd
Coss=Cgd+Cds3、两种常见的MOSFET驱动电路
3.1 由分立器件组成的驱动电路（如图3所示），驱动电路A．当HS为高电平时，Q7、Q4导通，Q6关闭，电容C4上的电压（约14V）经过Q4、D3、R6加到Q5的栅极，使Q5导通。在导通期间，Q5的源极电压（Phase）接近电源电压Vdc，所以电容两端的电压随着Phase电压一起浮动，电容C4亦称为自举电容。Q5靠C4两端的电压来维持导通。
B.当HS为低电平时，Q7、Q4关闭，Q6导通，为Q5的栅极提供放电回路，从而使Q5很快关闭。当Q5关闭后，由于下管的开通或负载的作用，使得Phase 电压下降接近0V，从而使C4经过+15V→D2→C4→GND回路充电，为下一次导通做好准备。
C.当LS为低电平时，Q8、Q11导通，Q10关闭，驱动电路通过R11为下管Q9的栅极充电，使Q9导通。
D.当LS为高电平时，Q8、Q11关闭，Q10导通，为Q9的栅极提供放电回路,使Q9关断。
E.当HS和LS同时为高电平时，上管开通下管关闭。当HS和LS同时为低电平时，上管关闭下管开通。在实际应用中，为了避免上下管同时开通，HS和LS 的逻辑要靠MCU或逻辑电路来保证2 半桥驱动芯片组成的驱动电路如图4所示，工作原理如下：A．当HS和LS同时为高电平时，HO有驱动电压输出，使Q1开通。当HS和LS同时为低电平时，LO有驱动电压输出，使Q2开通。 B．电容C2与分立器件驱动电路里的C4作用相同，同样为自举电容。 C．电容C1为去藕电容，为抑制功率MOSFET开关时对驱动电路浮动电源部分的干扰，一般应加上此电容。
3.3 两种驱动线路的区别：
A．两种驱动电路在开通时能提供基本相同的驱动电流驱动MOSFET开通，但在MOSFET关断时，分立器件驱动电路因为有三极管放电，所以能提供更大的放电电流关闭MOSFET，而半桥驱动电路由于要经过栅极电阻放电，所以放电电流相对较小，导致MOSFET关闭时间过长，开关损耗相应增加。解决的办法可以是在驱动电阻上反并联一只二极管并增加一个放电的PNP三极管。
B．分立器件驱动电路用的器件较多，可靠性相对没有半桥芯片的驱动电路高。但前提条件是半桥驱动芯片的驱动电路要设计合理。4、MOSFET驱动线路的要求及参数的调整
4.1 门极电压不能超过Vgs的最大值。在设计驱动线路时，应考虑驱动电源电压和线路的抗干扰性，确保MOSFET在带感性负载且工作在开关状态时栅极电压不超过Vgs的最大值。
4.2 为了能够减少MOSFET的开关损耗，驱动线路应能提供足够大的驱动电流，使开通和关断的时间尽可能短，同时，尽量减少门极电压的高频震荡。如果要获得同样的RC时间常数，使用较小的驱动电阻和较大的电容可以获得较好的驱动特性，但驱动线路的损耗同时也增加了。
图5和图6是实际应用中的测试波形，从图中我们可以看出：①电容的增加使得开启的时间变长，增加了开通损耗。②电容的增加，使得门极电压的高频震荡减少。同时，由于米勒平台的振荡减小，MOSFET在米勒平台期间的损耗也会相应
4.3 延长MOSFET的开通时间可以减小开通时的涌入电流。由于电机负载为感性负载，所以在PWM关断时存在续流现象（见图7中的I2），为了减小续流侧反向恢复电流（Irr）的大小，PWM侧开关管的开通速度不宜过快。由于MOSFET 处于饱和区时有公式：Id=K*(Vgs-Vth)2,（K为一常数，由MOSFET的特性决定）。所以在一定的温度和Vds条件下，从MOSFET的门极驱动电压Vgs可以判断MOSFET中的电流大小。图5中Vgs峰值为9.1V，图6中Vgs峰值为6.4V，所以增加电容使得峰值电流减小。Id也可从MOSFET的转移特性图中获得。4.4 由于MOSFET的封装电感和线路的杂散电感的存在，在MOSFET反向恢复电流Irr突然关断时，MOSFET（Q3）上
的电压Vds会出现振铃（如图8中CH2所示）。此振铃的出现会导致Vds超过MOSFET的击穿电压从而发生雪崩现象。如果线路中出现振铃，我们可以通过以下方法来减小振铃：A．设计线路时应考虑线路板布线：①尽量缩短驱动线路与MOSFET之间的线迹长度；②使大电流回路的铜箔走线尽量短且宽，必要时可以在铜箔表面加锡；③合理的走线，使大电流环路的面积最小。
B．如果线路杂散电感已经确定，可以通过减小PWM侧的MOSFET开通速度来减小在续流侧的MOSFET上的Vds振铃，从而能够使MOSFET上的Vds不超过最大耐压值。
C．如果以上两种方法都不能很好地解决问题，我们可以通过在相线上加snubber 的方法来抑制线路的振铃。
4.5 注意Cdv/dt产生的栅极感应电压。
如图7所示：在控制MOSFETQ1的导通开关期间，因为Q1的米勒效应和导通延迟的缘故，满输入电压并不会立刻出现在Q3的漏极上。施加在Q3上的漏极电压会感应出一个通过其栅——漏极间米勒电容Cgd（见图2）进行耦合的电流。该感应电流在Q3的内部栅极电阻Rg和外部栅极电阻的两端产生一个压降。该电压将对Q3栅极上的栅——源极间电容Cgs进行充电。Q3上的感应栅极电压的幅度是dv/dt、Cgd、Cgs和总栅极电阻的一个函数。感应栅极电压如图8中的CH1所示，其值已达到2.3V。另外，由于源极引线电感的存在，在Q3内的电流迅速减小时，会在Ls的两端感应出一个极性为上负下正的电压，如图9所示，此时加在DIE上的电压Vgs（die）要大于在外部引脚上测量的Vgs电压，所以由于Ls的影响，使得MOSFET有提前导通的可能。如果下管由于感应电压而导通，则会造成上下管穿通，如果MOSFET不能承受此穿通电流，MOSFET 就会损坏。
4.5.1 防止产生Cdv/dt感应导通的方法：
A．选择具有较高门限电压的MOSFET。
B．选择具有较小米勒电容Cgd和较小Cgd/Cgs的MOSFET。
C．使上桥（Q1）的开启速度变慢，从而减小关断时的dv/dt和di/dt，使感应电压Cdv/dt和Lsdi/dt减小。
D．增加Q3的栅极电容Cgs，从而减小感应电压。
4.5.2 保留Cdv/dt感应导通的好处Cdv/dt感应导通有一个好处：它能够减小续流侧MOSFET上的电压尖峰和Vds振铃（V=L×dIrr/dt；L：环路寄生电感），同时也减小了系统的EMI干扰。因此，在设计MOSFET驱动线路时，我们应根据实际情况来权衡驱动参数的调整，即究竟是阻止Cdv/dt感应导通以求最大限度地提升电路效率和可靠性还是采用Cdv/dt感应导通来抑制过多的寄生振铃。
5、结论
A．在开始设计之前，应该全面了解所选MOSFET的参数，判断MOSFET是否能满足产品要求，包括MOSFET的耐压（Vgs和Vds）、最大电流等参数，确保当工作条件最恶劣时这些参数不要超过MOSFET的最大额定值。
B．在线路设计阶段，必须进行热设计，以确保MOSFET工作在安全工作区。应特别注意线路板的布线，尽量减小线路杂散电感。
C．在不影响可靠性的情况下尽量缩短开关时间，将开关损耗降到最低。有时为了进一步提高效率，降低温升，还可采用同步整流。
、电动车控制器的实现方式与组成部分：目前电动自行车用控制器，不管有刷无刷，普遍采用PWM调速方式。电动车控制器内部必须要有PWM发生器电路，还要有电源电路，功率器件，功率器件驱动电路，控制器件驱动电路，控制部件（转把、闸把、电机霍耳等）信号采集单元与处理电路，过流与欠压等保护电路。
2、影响电动车控制器可靠性的因素：控制器的失效，从表现形式来看，一般有以下几种：
1）、功率器件损坏；
2）、电动自行车电机技术控制器内部供电电源损坏；
3）、电动车控制器工作时断时续；
4）、连接线磨损及接插件接触不良或脱落引起控制信号丢失。针对以上失效形式的起因分析如下： A、功率器件的损坏，一般有以下几种可能：电动自行车电机技术电机损坏引起的；功率器件本身的质量差或选用等级不够引起的；器件安装或振动松动引起的；电机过载引起的；功率器件驱动电路损坏或参数设计不合理引起的。 B、控制器内部电源的损坏，一般有以下几种可能：控制器内部电路短路；外围控制部件短路；外部引线短路。 C、电动自行车电机技术控制器工作起来时断时续，一般有以下几种可能：器件本身在高温或低温环境下参数漂移；控制器总体设计功耗大导致某些器件局部温度过高而使器件本身进入保护状态；接触不良。 D、连接线磨损及接插件接触不良或脱落，一般有以下几种可能：线材选择不合理；对线材的保护不完备；接插件的选型不好；线束与接插件的压接不牢。3、提高控制器的可靠性的方案：了解电动车控制系统可能发生故障点以后，有针对性的可靠性设计就有了目标。 A、首先是功率器件的型号，品牌，产地与供应商的选择，然后对功率器件的筛选，以上两点是提高功率器件可靠性前提。在此基础上，对功率器件安装工艺的设计和对功率器件驱动电路的设计才有意义。对无刷电机控制器而言，一般上三路功率管的驱动比较复杂，目前大多数厂家采用专用驱动芯片驱动。专用驱动芯片的不足之处是价格较高，内部的变电路采用了有源电路，转换效率偏低，其主要的应用场合是在周围电路完全没有交流电存在情况下，利用其内部电路完成变频、升压与整流。 B、对于电动自行车电机技术控制器的内部电源，为了防止电动车控制器内部或外部短路对电源的损坏，同时也是出于对电动自行车电机技术电源自身的保护，可以把电源设计成独立供电方式，这样既可以防止局部电路（转把，闸把、电机传感器等）发生短路而烧坏控制器，又可以防止电源电压异常升高而击穿外部器件。基于以
上考虑，可以采用DC——DC模块的负载能力强，自身的功率损耗相当低（不到0.1W），这在提高控制器的整体效率，降低控制器的运行温度方面有着线形稳压器无可比拟的优点。 C、要克服电动车控制器对温度的敏感，第一是选择温度系数好的元器件，第二是从设计上降低各模块电路的功率消耗，第三是尽量减少无用功消耗，第四是充分考虑到控制器的散热。如果采用无功率消耗的功率管驱动方案，加上高效率的DC—DC电源模块，可以将控制器工作电流降低到30mA以下。在这里需要解释一下的是，在电动车控制器里，用于采样电流信号的阻值大功率电阻器件属于控制的功率器件之一，电流采样电阻的功率消耗属于无用消耗，应该算控制器功率损耗的一部分，要减小控制器的功耗，降低控制器的运行温度，可以利用电机的转整与电机电流的绝对对应关系，通过检测电动自行车电机技术电机转动转速来检测电机电流，从而达到控制电流的目的。 D、由于电动车电气系统信号的传输是用连接线束来完成的，出于提高电动车整车的可靠性和提高控制器本身的可靠性出发，对电动车连接线束与接插件的要求是：边接可靠，防水，防尘，抗震，防氧化，防磨损。基于以上要求，电动车边接线束与接插件要有完备的防护套，接插件一定要达到汽车级的接插要求，因为电动车的使用环境从某种意义上讲，比汽车的使用环境还要恶劣。4、对于无刷电机控制器，由于输入控制变量与控制器使用功率器件比较多，控制器可以利用各种输入信号对控制系统完成相当完善的与想当灵活的保护，这些保护功能可以有：过流保护、减流保护、低电流过载保护，电机换相信号错误保护以及在没有过流的情况下电机堵转直接保护等。电动车无刷控制器通过直接读取各种控制信号，进行实时处理或保护，这种方法就可以大大提高无刷控制器的设计可靠性。
MOS管的结构和工作原理
在P 型衬底上，制作两个高掺杂浓度的N 型区，形成源极（Source ）和漏极（Drian ）,另外一个是栅极（Gate ）.当Vi=Vgs
场效应管工作原理 1
场效应管工作原理（1） 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（108～109?）、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
(完整版)对场效应管工作原理的理解
如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。 场效应管的结构 场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。 结型场效应管的结构 结型场效应管又叫JFET，只有耗尽型。 这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N型硅，材料(沟道)上引出两个电极，分别为源极(S)和漏极(D)。在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压U Ds，就有电流流过，I D将随U DS的增大而增大。如果给管子加上负偏差U GS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区(如图a中阴影区所示)。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片(沟道)中的电流大小的目的。 注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时I D是最大的。 特点：1，GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大 2：DS也是导通特性，阻抗比较大 3：GS工作在反向偏置的状态。 4：DS极完全对称，可以反用，即D当做S，S当做D。 从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。
三极管的工作原理
三极管的工作原理集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#
项目一三极管的工作原理 三极管，全称应为半导体三极管，也称晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器·件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。分成NPN 和PNP两种。我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。下图是各种常用三极管的实物图和符号。 一、三极管的电流放大作用 下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如上图所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。 二、三极管的偏置电路 三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取）。当基极与发射极之间的电压小于时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基 极上加上一个 合适的电流 （叫做偏置电 流，上图中那 个电阻Rb就 是用来提供这 个电流的，所 以它被叫做基 极偏置电 阻），那么当 一个小信号跟 这个偏置电流 叠加在一起 时，小信号就
场效应管工作原理
场效应管工作原理 MOS场效应管电源开关电路。 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。 MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP 型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P 型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在
场效应管工作原理
场效应管工作原理
场效应管工作原理 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
-放大电路的组成及工作原理
2.4 放大电路的组成及工作原理 参考教材：《模拟电子技术基础》孙小子张企民主编西安：西安电子科技大学出版社 一、教学目标及要求 1、通过本次课的教学，使学生了解晶体管组成的基本放大电路的三种类型， 掌握放大电路的组成元器件及各元器件的作用，理解放大电路的工作原理。 2、通过本节课的学习，培养学生定性分析学习意识，使学生掌握理论结合生 活实际的分析能力。 二、教学重点 1、共发射极放大电路的组成元器件及各元器件作用； 2、共发射极放大电路的工作原理。 三、教学难点 1、共发射极放大电路的组成元器件及各元器件作用； 2、共发射极放大电路的工作原理。 四、教学方法及学时 1、讲授法 2、1个学时 五、教学过程 （一）导入新课 同学们，上节课我们已经学习了晶体管内部载流子运动的特性以及由此引起的晶体管的一些外部特性，比如说晶体管的输入输出特性等，在这里，我要强调一下，我们需要把更多的注意力放在关注晶体管的外部特性上，而没有必要细究内部载流子的特点。由晶体管的输出特性，我们知道，当晶体管的外部工作条件不同时，晶体管可以工作在三个不同的区间。分别为：放大区、截止区、饱和区，其中放大区是我们日常生活中较为常用的一种工作区间。大家是否还记得，晶体管工作在放大区时所需要的外部条件是什么吗（发射结正偏，集电结反偏）？这节课，我们将要进入一个晶体管工作在放大区时，在实际生活中应用的新内容学习。 2.4放大器的组成及工作原理 一、放大的概念 放大：利用一定的外部工具，使原物体的形状或大小等一系列属性按一定的比例扩大的过程。日常生活中，利用扩音机放大声音，是电子学中最常见的放大。其原理框图为： 声音声音 扩音器原理框图 由此例子，我们知道，放大器大致可以分为：输入信号、放大电路、直流电源、输出信号等四部分，它主要用于放大小信号，其输出电压或电流在幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。对放大电路的基本要求:一是信号不失真,二是要放大。
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性 场效应管(MOSFET是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的 输入电阻可高达1015W而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS t,按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽 型两类。下面简单介绍它们的工作原理。 1、增强型绝缘栅场效应管 2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区, 并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖 一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G 另外在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS f。它的栅极与其他电 极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。 源极s tiffiG m 引纯 ? N旳道增强型场效应管紡拘示胃图低州沟道壇强型场效应管符号 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图6-39(a) 可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0寸，即使加上漏-源电压UDS而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于 反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID - 0。 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS> 0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同 时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子 就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层， 且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称 为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
MOS管工作原理动画示意图也有N沟道和P沟道两类
MOS管工作原理动画示意图也有N沟道和P沟道两类 绝缘型场效应管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管。它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管大得多，可达1010Ω以上，还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时温度简单，而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。 与结型场效应管相同，MOS管工作原理动画示意图也有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种，因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。 根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。 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。当VGS=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0VGS(th)时( VGS(th)称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID
场效应管工作原理
场效应管工作原理 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P 沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N 型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P 型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P 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 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 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 最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。 7、IDSM UGS=0时的漏极电流。UP —夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。§3 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。 一、直流参数 1、饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 2、夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA， 50μA)时所需UGS的值。 3、开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10μA)时所需加的UGS 值。 4、直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。 二、交流参数
场效应管工作原理
场效应管工作原理（1） 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（108～109?）、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。例如CS14A、CS45G等。 三、场效应管的参数 场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数，但一般使用时关注以下主要参数： 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、U P — 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、U T — 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、g M — 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U GS 变化量的比值。g M 是衡量场效应管放大能力的重要参数。 5、BU DS — 漏源击穿电压。是指栅源电压U GS 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，加在场效应管上的工作电压必须小于BU DS。
晶体管结构与工作原理
晶体三极管知识 晶体三极管作为重要的半导体器件，其基本结构和工作原理需要掌握。下面具体介绍。 三极管的基本结构是两个反向连结的pn接面，如图1所示，可有pnp和npn 两种组合。三个接出来的端点依序称为射极( emitter, E )、基极(base, B)和集极(collector, C)，名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 npn与pnp三极管的电路符号，射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体, 和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中 性的p型区和n型区隔开。 (a) (b) 图1 pnp(a)与npn(b)三极管的结构示意图与电路符号。 三极管的电特性和两个pn接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里 我们先讨论最常用的所谓 "正向活性区” (forwad active)，在此区EB极间的pn接面维持在正向偏压，而BC极间的pn接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。图2(a)为一pnp三极管在此偏压区的示意图。EB接面的空乏 区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大，故本身是不导通的。图2(b)画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形 下，电洞和电子的电位能的分布图。 三极管和两个反向相接的pn二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在 于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之pnp三极管为例， 射极的电洞注入基极的n型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极 方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时， 会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。IC的大小和BC间反向偏压的大小 关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec,与由基极注入 射极的电子流InB? E (这部分是三极管作用不需要的部分) 。InB? E在射极与与电 洞复合，即InB? E=I Erec o pnp三极管在正向活性区时主要的电流种类可以清楚地在图3(a)中看出。
单结晶体管工作原理
单结晶体管工作原理 双基极二极管又称为单结晶体管，它的结构如图1所示。在一片高电阻率的N型硅片一侧的两端各引出一个电极，分别称为第一基极B1和第二基极B2。而在硅片是另一侧较靠近B2处制作一个PN结，在P型硅上引出一个电极，称为发射极E。两个基极之间的电阻为RBB，一般在2~15kW之间，RBB一般可分为两段，RBB = RB1+ RB2，RB1是第一基极B1至PN结的电阻；RB2是第一基极B2至PN结的电阻。双基极二极管的符号见图1的右侧。 图 1 双基极二极管的结构与符号等效电路 将双基极二极管按图2(a)接于电路之中，观察其特性。首先在两个基极之间加电压UBB，再在发射极E和第一基极B1之间加上电压UE，UE可以用电位器RP进行调节。这样该电路可以改画成图2(b)的形式，双基极二极管可以用一个PN结和二个电阻RB1、RB2组成的等效电路替代。 当基极间加电压UBB时，RB1上分得的电压为 式中称为分压比，与管子结构有关，约在0.5～0.9之间。
2.当UE＝UBB＋UD时，单结晶体管内在PN结导通，发射极电流IE突然增大。把这个突变点称为峰点P。对应的电压UE和电流IE分别称为峰点电压UP和峰点电流IP。显然，峰点电压 Up＝UBB＋UD T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 式中UD为单结晶体管中PN结的正向压降，一般取UD＝0.7V。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 在单结晶体管中PN结导通之后，从发射区（P区）向基压（N区）发射了大量的空穴型载流子，IE增长很快，E和B1之间变成低阻导通状态，RB1迅速减小，而E和B1之间的电压UE也随着下降。这一段特性曲线的动态电阻为负值，因此称为负阻区。而B2的电位高于E的电位，空穴型载流子不会向B2运动，电阻RB2基本上不变。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 当发射极电流IE增大到某一数值时，电压UE下降到最低点。特性由线上的这一点称为谷点V。与此点相对应的是谷点电压UV和谷点电流IV。此后，当调节RP使发射极电流继续增大时，发射极电压略有上升，但变化不大。谷点右边的这部分特性称为饱和区。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 综上所述，单结晶体管具有以下特点：T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 （1）当发射极电压等于峰点电压UP时，单结晶体管导通。导通之后，当发射极电压小于谷点电压UV时，单结晶体管就恢复截止。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 （2）单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及其分压比有关。而分压比是由管子结构决定的，可以看做常数。T58838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸 对于分压比不同的管子，或者外加电压UBB的数值不同时，峰值电压UP也就不同。（3）不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在2~5V之间。
p沟道mos管工作原理
P通道为空穴流，N通道为电子流，所以场效应三极管也称为单极性三极管。FET 乃是利用输入电压(Vgs)来控制输出电流(Id)的大小。所以场效应三极管是属于电压控制元件。它有两种类型，一是结型（接面型场效应管）(JFET)，一是金氧半场效应三极管，简称MOSFET，MOSFET又可分为增强型与耗尽型两种。 N沟道，P沟道结型场效应管的D、S是由N(或P)中间是栅极夹持的通道，这个通道大小是受电压控制的，当然就有电流随栅极电压变化而变。可以看成栅极是控制电流阀门。 增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。栅极电压高低决定电场的变化，进而影响载流子的多少，引起通过S、D电流变化。 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。 主板上的PWM(Plus Width Modulator，脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度可调的脉冲波形，这样可以使两只MOS管轮流导通。当负载两端的电压(如CPU需要的电压)要降低时，这时MOS管的开关作用开始生效，外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时，通过MOS管的开关作用，外部电源供电断开，电感释放出刚才充入的能量，这时的电感就变成了“电源”，当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道。 MOS管 MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应晶体管中的绝缘栅型。因此，MOS管有时被称为场效应管。在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。而在主板上的电源稳压电路中，MOSFET扮演的角色主要是判断电位，它在主板上常用“Q”加数字表示。 一、MOS管的作用是什么？ 目前主板或显卡上所采用的MOS管并不是太多，一般有10个左右，主要原因是大部分MOS管被整合到IC芯片中去了。由于MOS管主要是为配件提供稳定的电压，所以它一般使用在CPU、AGP插槽和内存插槽附近。其中在CPU与AGP插槽附近各安排一组MOS管，而内存插槽则共用了一组MOS管，MOS管一般是以两个组成一组的形式出现主板上的。 二、MOS管的性能参数有哪些？ 优质的MOS管能够承受的电流峰值更高。一般情况下我们要判断主板上MOS 管的质量高低，可以看它能承受的最大电流值。影响MOS管质量高低的参数非常多，像极端电流、极端电压等。但在MOS管上无法标注这么多参数，所以在MOS 管表面一般只标注了产品的型号，我们可以根据该型号上网查找具体的性能参数。 还要说明的是，温度也是MOS管一个非常重要的性能参数。主要包括环境温度、管壳温度、贮成温度等。由于CPU频率的提高，MOS管需要承受的电流也随
最新场效应管工作原理68703
场效应管工作原理 68703
场效应管工作原理 时间:2007-06-15 来源: 作者: 点击：7148 字体大小:【大中小】 1.什么叫场效应管？ FET是Field-Effect-Transistor的缩写,即为场效应晶体管。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。FET应用范围很广,但不能说现在普及的双极型晶体管都可以用FET替代。然而，由于FET的特性与双极型晶体管的特性完全不同，能构成技术性能非常好的电路。 2. 场效应管的工作原理： (a) JFET的概念图
(b) JFET的符号 图1(b)门极的箭头指向为p指向 n方向，分别表示内向为n沟道JFET，外向为p沟道JFET。图1（a）表示n沟道JFET的特性例。以此图为基础看看JFET的电气特性的特点。 首先，门极-源极间电压以0V时考虑（VGS =0）。在此状态下漏极-源极间电压VDS 从0V增加，漏电流ID几乎与VDS 成比例增加，将此区域称为非饱和区。VDS 达到某值以上漏电流ID 的变化变小，几乎达到一定值。此时的ID 称为饱和漏电流（有时也称漏电流用IDSS 表示。与此IDSS 对应的VDS 称为夹断电压VP ，此区域称为饱和区。其次在漏极-源极间加一定的电压VDS (例如0.8V)，VGS 值从0开始向负方向增加，ID 的值从IDSS 开始慢慢地减少，对某VGS 值ID =0。将此时的VGS 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压，用VGS (off)示。n沟道JFET的情况则VGS (off) 值带有负的符号,测量实际的JFET对应ID =0的VGS 因为很困难,在放大器使用的小信号JFET时,将达到ID =0.1-10μA 的VGS 定义为VGS (off) 的情况多些。关于JFET为什么表示这样的特性，用图作以下简单的说明。
结型场效应管(JFET)的结构和工作原理
结型场效应管(JFET)的结构和工作原理 1. JFET的结构和符号 N沟道JFET P沟道JFET 2. 工作原理（以N沟道JFET为例） N沟道JFET工作时，必须在栅极和源极之间加一个负电压——V GS< 0，在D-S间加一个正电压——V DS>0. 栅极—沟道间的PN结反偏，栅极电流i G?0，栅极输入电阻很高（高达107W以上）。 N沟道中的多子（电子）由S向D运动，形成漏极电流i D。i D的大小取决于V DS的大小和沟道电阻。改变V GS可改变沟道电阻，从而改变i D。
主要讨论V GS对i D的控制作用以及V DS对i D的影响。 ①栅源电压V GS对i D的控制作用 当V GS＜0时，PN结反偏，耗尽层变宽，沟道变窄，沟道电阻变大，I D减小；V GS更负时，沟道更窄，I D更小；直至沟道被耗尽层全部覆盖，沟道被夹断，I D≈0。这时所对应的栅源电压V GS称为夹断电压V P。 ②漏源电压V DS对i D的影响 在栅源间加电压V GS＜ 0 ，漏源间加正电压V DS > 0。则因漏端耗尽层所受的反偏电压为V GD=V GS-V DS，比源端耗尽层所受的反偏电压V GS大,(如:V GS=-2V, V DS =3V, V P=-9V,则漏端耗尽层受反偏电压为V GD=-5V，源端耗尽层受反偏电压为-2V),使靠近漏端的耗尽层比源端宽，沟道比源端窄，故V DS对沟道的影响是不均匀的，使沟道呈楔形。 当V DS增加到使V GD=V GS-V DS =V P时，耗尽层在漏端靠拢,称为预夹断。 当V DS继续增加时，预夹断点下移，夹断区向源极方向延伸。由于夹断处电阻很大，使V DS主要降落在该区，产生强电场力把未夹断区的载流子都拉至漏极，形成漏极电流I D。预夹断后I D基本不随V DS增大而变化。
晶体管_工作原理_输出
实验二晶体管测试 一、实验目的： 1．熟悉晶体二极管、晶体管晶体管和场效应管的主要参数。 2．学习使用万用电表测量晶体管的方法。 3．学习使用专用仪器测量晶体管的方法。 二、实验原理： （一）晶体管的主要参数： 晶体管的主要参数分为三类：直流参数、交流参数和极限参数。其中极限参数由生产厂规定，可以在器件特性手册查到，直接使用。其它晶体管参数虽然在手册上也给出，但由于半导体器件的参数具有较大的离散性，手册所载参数只能是统计大批量器件后得到的平均值或范围，而不是每个器件的实际参数值。因为使用晶体管时必须知道每个管子的质量好坏和某些重要参数值，所以，测量晶体管是必须具备的技术。下面结合本次实验内容，简介晶体管的主要参数。 1．晶体二极管主要参数： 使用晶体二极管时需要了解以下参数： （1）大整流电流I F ：二极管长期运行时允许通过的大正向平均电流，由手册查得。 （2）正向压降V D ：二极管正向偏置，流过电流为大整流电流时的正向压降值，可用电压表或晶体管图示仪测得。 （3）晶体管大反向工作电压V R ：二极管使用时允许施加的大反向电压。可用电压表或晶体管特性图示仪测得反向击穿电压V(BR) 后，取其1∕2即是。 （4）反向电流I R：二极管未击穿时的反向电流值。可用电流表测得。 （5）高工作频率f M ：一般条件下较难测得，可使用特性手册提供的参数。 （6）特性曲线：二极管特性曲线可以直观地显示二极管的特性。由晶体管特性图示仪测得。 2．稳压二极管主要参数： 稳压二极管正常工作时，是处在反向击穿状态。稳压二极管的参数主要有以下几项：（1）稳定电压V Z：稳压管中的电流为规定电流时，稳压管两端的电压值。手册虽然给出了每种型号稳压二极管的稳定电压值，但此值的离散性较大，所以手册所给只能是一个范围。此值必须测定后才能使用稳压二极管。可用万用电表或晶体管特性图示仪测量。 （2）稳定电流I Z：稳压管正常工作时的电流值，参数手册中给出。使用晶体管特性图示仪测量此项参数比较方便，可直接观察到晶体管稳压管有较好稳压效果时对应的电流值，便是此值。
场效应管(FET)的工作原理总结
结型场效应管的工作原理 N 沟道和P 沟道结型场效应管的工作原理完全相同，现以N 沟道结型场效应管为例，分析其工作原理。 N 沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压(v GS ＜0)，使栅-源极间的P +N 结反偏，栅极电流i G ≈0，场效应管呈现很高的输入电阻(高达108Ω左右)。在漏-源极间加一正电压(v DS ＞0)，使N 沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流i D 。i D 的大小主要受栅-源电压v GS 控制，同时也受漏-源电压v DS 的影响。因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压v GS 对沟道电阻及漏极电流i D 的控制作用，以及漏-源电压v DS 对漏极电流i D 的影响。 转移特性：在u DS 一定时, 漏极电流i D 与栅源电压u GS 之间的关系称为转移特性。 ()|D gs ds u i f u ==常数
在U GS(off)≤u GS ≤0的范围内, 漏极电流i D 与栅极电压u GS 的关系为 2()(1)GS D DDS GS off u i I u =- 2) 输出特性：输出特性是指栅源电压u GS 一定, 漏极电流i D 与漏极电压u DS 之间的关系。 ()|D s gs d u i f u ==常数 GS 0 1 2 3 4 5
1．v GS对沟道电阻及i D的控制作用 图2所示电路说明了v GS对沟道电阻的控制作用。为便于讨论，先假设漏-源极间所加的电压v DS=0。当栅-源电压v GS=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2(a)所示。当v GS<0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着|v GS| 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图2(b)所示。当|v GS| 进一步增大到一定值|V P| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2(c)所示。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压v DS，漏极电流i D也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压，用V P表示。
晶体管内部的电流分配关系和放大原理
晶体管内部的电流分配关系和放大原理
要使晶体管正常工作且具有放大功能，就必须给集电结和发射结加上合适的电压。发射结加正向偏压UBE(正向偏压一般不大于1V)，才能使发射区的多数载流子注入基区，给集电结加上较大的反向电压（反向电压一般在几伏到几十伏），保证发射区注入到基区并扩散到集电结边缘的载流子被集电区收集，形成集电极电流。为实现晶体管的正常工作，就要保证发射结加正向偏压，集电结加反向电压，这是晶俸管放大的外部条件。晶体管有三种不同的连接方式：共发射极接法、共集电极接法、共基极接法，如图1.4.3所示。无论哪种接法，发射结正向偏压，集电结反向偏压是最基本的和必须满足的要求。下面以NPN管的共基极接法为例，讨论晶体管内部载流子的运动和电流分布情况。 1．载流子的运动规律内部载流子的运动可分为三部分，如图1.4.4所示。1)发射区向基区注入载流子的过程发射结正向偏压，使PN结变薄，阻抗减小，扩散运动得以加强。发射区的多数载流子（电子）在发射结电场作用下，源源不断地向基区注入，形成发射极电流IEN。与此同时，基区的多数载流子（空穴）也在电场力的作用下，越过PN结扩散到发射区，形成电流IEP。流过发射结的电流j。，应为电子电流IEN 和空穴电流IEP之和。但由于发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度低且很薄，一般讨论图1.4.4内部载流子传输过程时，注入发射区的空穴形成的电流IEP比起注入到基区的电子电
流IEN来说可以忽略不计。即IE主要是发射区向基区注入的载流子所形成的电流IE=IEN +IEP～IEN 2)电子在基区的扩散和复合过程发射区的多子电子扩散注入到基区后，在靠近发射结边缘附近密集，形成从发射结到集电结的密度梯度分布。这种梯度分布促使电子在基区内继续向集电结方向扩散。基区内电子在扩散的同时，一部分与基区空穴相遇并复合，复合所需的空穴由电源UBE提供，基区内空穴基本保持不变，复合形成电流IBP。晶体簪内部的扩散与复合，是一对特殊的矛盾，其放大能力取决于两者的比例关系。在制造晶体管时，为使注入基区的电子绝大部分能到达集电结，故基区做得很薄，且掺杂浓度很低，减少电子与空穴的复合几率。 3)集电极收集电子的过程集电结上所加的反向电压，使集电结形成很强的电场。基区中扩散到集电结附近的电子，在强电场的作用下，迅速漂移越过集电结进入集电区，形成流入集电极的电流ICN。与此同时，集电结反向偏压作用，使基区和集电区的少数载流子漂移过集电结，形成反向漂移电流ICBO。反向漂移电流从集电区注入基区，并由基极流出，与发射区无关，对电流放大没有贡献。但它受温度影响很大，是影响晶体管稳定性的一个主要因素。 2．晶体管电流分配关系从前面的讨论，可以绘出电流分配图 1.4.5。电流分配关系为：发射极电流IE =IEN+IFP≈JEN