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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*绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中,应用为广泛的是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。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、idss—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ugs=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ugs—对漏极电流id的控制能力,即漏极电流id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buds。
6、pdsm—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—大漏源电流。是一项极限参数,是指场效应管正常工作时,漏源间所允许通过的大电流。场效应管的工作电流不应超过idsm
几种常用的场效应三极管的主要参数
四、场效应管的作用
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。
五、场效应管的测试
1、结型场效应管的管脚识别
场效应管的栅极相当于晶体管的基极,源极和漏极分别对应于晶体管的发射极和集电极。将万用表置于r×1k档,用两表笔分别测量每两个管脚间的正、反向电阻。当某两个管脚间的正、反向电阻相等,均为数kω时,则这两个管脚为漏极d和源极s(可互换),余下的一个管脚即为栅极g。对于有4个管脚的结型场效应管,另外一极是屏蔽极(使用中接地)。
2、判定栅极
用万用表黑表笔碰触管子的一个电极,红表笔分别碰触另外两个电极。若两次测出的阻值都很小,说明均是正向电阻,该管属于n沟道场效应管,黑表笔接的也是栅极。
制造工艺决定了场效应管的源极和漏极是对称的,可以互换使用,并不影响电路的正常工作,所以不必加以区分。源极与漏极间的电阻约为几千欧。注意不能用此法判定绝缘栅型场效应管的栅极。因为这种管子的输入电阻*,栅源间的极间电容又很小,测量时只要有少量的电荷,就可在极间电容上形成很高的电压,容易将管子损坏。
3、估测场效应管的放大能力
将万用表拨到r×100档,红表笔接源极s,黑表笔接漏极d,相当于给场效应管加上1.5v的电源电压。这时表针指示出的是d-s极间电阻值。然后用手指捏栅极g,将人体的感应电压作为输入信号加到栅极上。由于管子的放大作用,uds和id都将发生变化,也相当于d-s极间电阻发生变化,可观察到表针有较大幅度的摆动。如果手捏栅极时表针摆动很小,说明管子的放大能力较弱;若表针不动,说明管子已经损坏。
由于人体感应的50hz交流电压较高,而不同的场效应管用电阻档测量时的工作点可能不同,因此用手捏栅极时表针可能向右摆动,也可能向左摆动。少数的管子rds减小,使表针向右摆动,多数管子的rds增大,表针向左摆动。无论表针的摆动方向如何,只要能有明显地摆动,就说明管子具有放大能力。本方法也适用于测mos管。为了保护mos场效应管,必须用手握住螺钉旋具绝缘柄,用金属杆去碰栅极,以防止人体感应电荷直接加到栅极上,将管子损坏。
mos管每次测量完毕,g-s结电容上会充有少量电荷,建立起电压ugs,再接着测时表针可能不动,此时将g-s极间短路一下即可。
目前常用的结型场效应管和mos型绝缘栅场效应管的管脚顺序如下图所示。
六、常用场效用管
1、mos场效应管
即金属-氧化物-半导体型场效应管,英文缩写为mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor),属于绝缘栅型。其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层,因此具有很高的输入电阻(高可达1015ω)。它也分n沟道管和p沟道管,符号如图1所示。通常是将衬底(基板)与源极s接在一起。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。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。
以n沟道为例,它是在p型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区n+和漏扩散区n+,再分别引出源极s和漏极d。源极与衬底在内部连通,二者总保持等电位。图1(a)符号中的前头方向是从外向里,表示从p型材料(衬底)指身n型沟道。当漏接电源正极,源极接电源负极并使vgs=0时,沟道电流(即漏极电流)id=0。随着vgs逐渐升高,受栅极正电压的吸引,在两个扩散区之间就感应出带负电的少数载流子,形成从漏极到源极的n型沟道,当vgs大于管子的开启电压vtn(一般约为+2v)时,n沟道管开始导通,形成漏极电流id。
国产n沟道mosfet的典型产品有3do1、3do2、3do4(以上均为单栅管),4do1(双栅管)。它们的管脚排列(底视图)见图2。
mos场效应管比较“娇气”。这是由于它的输入电阻很高,而栅-源极间电容又非常小,极易受外界电磁场或静电的感应而带电,而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压(u=q/c),将管子损坏。因此了厂时各管脚都绞合在一起,或装在金属箔内,使g极与s极呈等电位,防止积累静电荷。管子不用时,全部引线也应短接。在测量时应格外小心,并采取相应的防静电感措施。
mos场效应管的检测方法
(1)准备工作
测量之前,先把人体对地短路后,才能摸触mosfet的管脚。hao在手腕上接一条导线与大地连通,使人体与大地保持等电位。再把管脚分开,然后拆掉导线。
(2)判定电极
将万用表拨于r×100档,首先确定栅极。若某脚与其它脚的电阻都是无穷大,证明此脚就是栅极g。交换表笔重测量,s-d之间的电阻值应为几百欧至几千欧,其中阻值较小的那一次,黑表笔接的为d极,红表笔接的是s极。日本生产的3sk系列产品,s极与管壳接通,据此很容易确定s极。
(3)检查放大能力(跨导)
将g极悬空,黑表笔接d极,红表笔接s极,然后用手指触摸g极,表针应有较大的偏转。双栅mos场效应管有两个栅极g1、g2。为区分之,可用手分别触摸g1、g2极,其中表针向左侧偏转幅度较大的为g2极。
目前有的mosfet管在g-s极间增加了保护二极管,平时就不需要把各管脚短路了。
mos场效应晶体管在使用时应注意分类,不能随意互换。mos场效应晶体管由于输入阻抗高(包括mos集成电路)极易被静电击穿,使用时应注意以下规则:
(1)mos器件出厂时通常装在黑色的导电泡沫塑料袋中,切勿自行随便拿个塑料袋装。也可用细铜线把各个引脚连接在一起,或用锡纸包装。
(2)取出的mos器件不能在塑料板上滑动,应用金属盘来盛放待用器件。
(3)焊接用的电烙铁必须良好接地。
(4)在焊接前应把电路板的电源线与地线短接,再mos器件焊接完成后在分开。
(5)mos器件各引脚的焊接顺序是漏极、源极、栅极。拆机时顺序相反。
(6)电路板在装机之前,要用接地的线夹子去碰一下机器的各接线端子,再把电路板接上去。
(7)mos场效应晶体管的栅极在允许条件下,hao接入保护二极管。在检修电路时应注意查证原有的保护二极管是否损坏。
vmos场效应管(vmosfet)简称vmos管或功率场效应管,其全称为v型槽mos场效应管。它是继mosfet之后新发展起来的、功率开关器件。它不仅继承了mos场效应管输入阻抗高(≥108w)、驱动电流小(左右0.1μa左右),还具有耐压高(高可耐压1200v)、工作电流大(1.~100a)、输出功率高(1~250w)、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身,因此在电压放大器(电压放大倍数可达数千倍)、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。
*,传统的mos场效应管的栅极、源极和漏*大致处于同一水平面的芯片上,其工作电流基本上是沿水平方向流动。vmos管则不同,从左下图上可以看出其两大结构特点:,金属栅极采用v型槽结构;第二,具有垂直导电性。由于漏极是从芯片的背面引出,所以id不是沿芯片水平流动,而是自重掺杂n+区(源极s)出发,经过p沟道流入轻掺杂n-漂移区,后垂直向下到达漏极d。电流方向如图中箭头所示,因为流通截面积增大,所以能通过大电流。由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层,因此它仍属于绝缘栅型mos场效应管。
国内生产vmos场效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等,典型产品有vn401、vn672、vmpt2等。表1列出六种vmos管的主要参数。其中,irfpc50的外型如右上图所示。
vmos场效应管的检测方法
(1)判定栅极g
将万用表拨至r×1k档分别测量三个管脚之间的电阻。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无穷大,并且交换表笔后仍为无穷大,则证明此脚为g极,因为它和另外两个管脚是绝缘的。
(2)判定源极s、漏极d
由图1可见,在源-漏之间有一个pn结,因此根据pn结正、反向电阻存在差异,可识别s极与d极。用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低(一般为几千欧至十几千欧)的一次为正向电阻,此时黑表笔的是s极,红表笔接d极。
(3)测量漏-源通态电阻rds(on)
将g-s极短路,选择万用表的r×1档,黑表笔接s极,红表笔接d极,阻值应为几欧至十几欧。由于测试条件不同,测出的rds(on)值比手册中给出的典型值要高一些。例如用500型万用表r×1档实测一只irfpc50型vmos管,rds(on)=3.2w,大于0.58w(典型值)。
(4)检查跨导
将万用表置于r×1k(或r×100)档,红表笔接s极,黑表笔接d极,手持螺丝刀去碰触栅极,表针应有明显偏转,偏转愈大,管子的跨导愈高。
七、场效应管与晶体管的比较
(1)场效应管是电压控制元件,而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下,应选用场效应管;而在信号电压较低,又允许从信号源取较多电流的条件下,应选用晶体管。
(2)场效应管是利用多数载流子导电,所以称之为单极型器件,而晶体管是即有多数载流子,也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。
(3)有些场效应管的源极和漏极可以互换使用,栅压也可正可负,灵活性比晶体管好。
(4)场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作,而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上,因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。

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