模塊五新能源汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路任務(wù)四連接場效應(yīng)管

開關(guān)控制電路【任務(wù)目標(biāo)】1）掌握場效應(yīng)管（單極型半導(dǎo)體三極管）的結(jié)構(gòu)、分類、電路符號(hào)；2）掌握場效應(yīng)管的引腳識(shí)別與性能檢測；3）了解場效應(yīng)管的命名和使用注意事項(xiàng)；了解斬波電路的基本知識(shí)及其在汽車上的應(yīng)用?！救S目標(biāo)】1）培養(yǎng)規(guī)范操作、善于觀察、學(xué)會(huì)分析和勇于探索的學(xué)習(xí)慣；培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和精益求精的工匠品質(zhì)。1）具備連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路的能力；2）具備用數(shù)字萬用表判別場效應(yīng)管類型、引腳排列的能力；3）具備分析LED前照燈工作過程的能力。知識(shí)目標(biāo)：核心素養(yǎng)：技能目標(biāo)：【任務(wù)描述】【任務(wù)描述】

場效應(yīng)管即單極型半導(dǎo)體三極管，簡稱FET。與晶體管相比，場效應(yīng)管不僅具有噪聲低、熱穩(wěn)定性好、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，而且制造工藝簡單、占用芯片面積小、器件特性便于控制、功耗小，在大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路得到廣泛應(yīng)用。特別是MOSFET具有耐沖擊性好、故障率低、可擴(kuò)展性好、支持高頻等特點(diǎn)，常用于低壓大電流的領(lǐng)域，在新能源汽車中的電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)、電池電路保護(hù)、雨刷器的直流電機(jī)、LED照明系統(tǒng)、車載充電器（OBC）等都用到MOSFET。本任務(wù)借助連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路的任務(wù)實(shí)施，來介紹場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)、分類、符號(hào)、工作原理及相關(guān)應(yīng)用等。【任務(wù)實(shí)施】01器材器材連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路所需器材如表5-19所示。表5-19連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路所需器材序號(hào)名稱實(shí)物圖序號(hào)名稱實(shí)物圖1導(dǎo)線

7NMOS場效應(yīng)管

2斜口鉗

8電阻

3剝線鉗

9數(shù)字萬用表

4開關(guān)

10蓄電池

5發(fā)光二極管

02連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路1.連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路如表5-20所示。表5-20連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路序號(hào)任務(wù)實(shí)施描述實(shí)施示意圖1

依次按右下示意圖①②③④⑤⑥⑦⑧⑨標(biāo)號(hào)裁剪適合長度的導(dǎo)線、剝離相關(guān)導(dǎo)線線頭的絕緣皮，并依次連接相關(guān)器件和數(shù)字萬用表。

2接通數(shù)字萬用表電源和開關(guān)K1，觀察數(shù)字萬用表顯示屏的數(shù)值和發(fā)光二極管發(fā)生的現(xiàn)象，并記錄。連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路1.連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路如表5-20所示。表5-20連接場效應(yīng)管開關(guān)控制電路3再接通開關(guān)K2，觀察數(shù)字萬用表顯示屏的數(shù)值和發(fā)光二極管發(fā)生的現(xiàn)象，并記錄。

4在序號(hào)3的基礎(chǔ)上，斷開開關(guān)K2，觀察數(shù)字萬用表顯示屏的數(shù)值和發(fā)光二極管發(fā)生的現(xiàn)象，并記錄。

5實(shí)訓(xùn)完畢，關(guān)斷開關(guān)K1，按要求斷開連接導(dǎo)線，收好器件和儀表。序號(hào)任務(wù)實(shí)施描述實(shí)施示意圖03記錄任務(wù)實(shí)施產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或現(xiàn)象記錄任務(wù)實(shí)施產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或現(xiàn)象如表5-21所示。表5-21任務(wù)實(shí)施產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或現(xiàn)象記錄任務(wù)實(shí)施產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或現(xiàn)象班級(jí)：姓名：日期：1.作業(yè)前準(zhǔn)備1）檢查儀表和元件是否齊全□是

□否2）檢查數(shù)字萬用表通電是否正?！跏?/p>

□否3）檢查發(fā)光二極管是否正常□是

□否2.記錄數(shù)據(jù)或現(xiàn)象1）序號(hào)2，發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮□是

□否；數(shù)字萬用表顯示屏數(shù)值A(chǔ)=

A。2）序號(hào)3，發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮□是

□否；數(shù)字萬用表顯示屏數(shù)值A(chǔ)=

A。3）序號(hào)4，發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮□是

□否；數(shù)字萬用表顯示屏數(shù)值A(chǔ)=

A。4）觀察序號(hào)3、4現(xiàn)象，你發(fā)現(xiàn)了什么？

04實(shí)施評(píng)價(jià)【實(shí)施評(píng)價(jià)】表5-22實(shí)施評(píng)價(jià)序號(hào)評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)細(xì)則分值自評(píng)分值互評(píng)分值教師評(píng)分1準(zhǔn)備工作1.選擇數(shù)字萬用表

□正確□錯(cuò)誤2.選擇二極管

□正確□錯(cuò)誤3.選擇開關(guān)□正確□錯(cuò)誤4.選擇場效應(yīng)管□正確□錯(cuò)誤15

2場效應(yīng)管開關(guān)特性1.使用斜口鉗裁剪導(dǎo)線□正確□錯(cuò)誤2.使用剝線鉗剝離線頭絕緣皮

□正確□錯(cuò)誤3.電路連接□正確□錯(cuò)誤4.發(fā)光二極管□點(diǎn)亮□不亮55

3綜合素養(yǎng)節(jié)儉、精益求精1.裁剪導(dǎo)線長度□適宜□過長□過短2.現(xiàn)象記錄□正確□錯(cuò)誤3.線頭連接□緊致□松脫4.解決問題□自行□幫助10

安全文明生產(chǎn)1.操作動(dòng)作□規(guī)范□錯(cuò)誤2.儀表和元件歸位□正確□雜亂3.工位清潔和整理□整潔□雜亂10

4操作時(shí)間

操作時(shí)間為30分鐘，每超過1分鐘扣1分。10

5合計(jì)100

說明：每項(xiàng)分都是扣完為止班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：

教師簽名：【知識(shí)鏈接】目錄CONTENTS二、N溝道耗盡型MOSFET四、VMOS場效應(yīng)管三、P溝道MOSFET管五、結(jié)型場效應(yīng)管六、場效應(yīng)管的主要參數(shù)一、N溝道增強(qiáng)型MOSFET八、場效應(yīng)管的基本應(yīng)用十、Boost電路在新能源汽車LED燈驅(qū)動(dòng)電路上的應(yīng)用九、NMOSFET在斬波電路（DC-DC變換器）的應(yīng)用十一、知識(shí)拓展七、場效應(yīng)管使用常識(shí)【知識(shí)鏈接】

場效應(yīng)管即單極型半導(dǎo)體三極管，簡稱FET，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分為兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管，簡稱JFET，即JunctiontypeFieldEffectTransistor和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，簡稱MOSFET，即Metal-Oxide-SemiconductortypeFieldEffectTransistor。結(jié)型場效應(yīng)管分N溝道和P溝道兩類。MOS場效應(yīng)管分N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型，P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型四類。本任務(wù)重點(diǎn)介紹NMOS場效應(yīng)管。一N溝道增強(qiáng)型MOSFET1.結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)

N溝道增強(qiáng)型MOSFET簡稱為NEMOS管（EMOS即EnhancementMOS），其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-51a）所示。它以一塊摻雜濃度很低的P型硅片作為襯底，在襯底上面的左、右兩側(cè)利用擴(kuò)散的方法形成兩個(gè)高摻雜的N+區(qū)，并分別用金屬鋁作為引出電極，稱為源極S和漏極D；然后在硅片表面生成一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，并在漏極和源極之間的絕緣層上再噴一層金屬鋁作為柵極G；另外在襯底引出襯底引線B，通常與管內(nèi)的源極相連。由結(jié)構(gòu)可知，這種場效應(yīng)管由金屬、氧化物和半導(dǎo)體組成，故稱為MOS管。由于柵極、源極、漏極均通過絕緣體接觸，故稱為絕緣柵，其柵極電流為零。1.結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)N溝道增強(qiáng)型MOSFET的圖形符號(hào)如圖5-51b）所示。圖形符號(hào)中襯底極B的箭頭方向是區(qū)別MOSFET管溝道類別的標(biāo)志。場效應(yīng)管符號(hào)中箭頭的方向總是由P型半導(dǎo)體指向N型半導(dǎo)體，故N溝道襯底極B的箭頭方向是由外向內(nèi)如圖5-51b）；P溝道襯底極B的箭頭方向是由內(nèi)向外。圖5-51N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)a）N溝道增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖

b）圖形符號(hào)2.工作原理由圖5-51a）可知N溝道增強(qiáng)型MOSFET管的漏區(qū)（N+型）、襯底（P型）和源區(qū)（N+型）之間存在兩個(gè)背靠背的PN結(jié)，當(dāng)柵極G與源極S之間無外加電壓時(shí)（即UGS=0），無論在漏極D、源極S之間加任何極性的電壓，都有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)而截至，阻斷漏極D和源極S之間的電流流過，此時(shí)漏極電流ID=0。

若在柵極G、源極S之間加上正向電壓UGS>0，如圖5-52a）所示，因襯底極B與源極相連，則在UGS的作用下，柵極下的SiO2絕緣層中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向由柵極指向P型襯底的垂直電場，見圖5-52a）。該電場具有排斥空穴而吸引電子的能力，當(dāng)UGS足夠大，大到產(chǎn)生的電場可吸引足夠的電子時(shí)，便會(huì)在P型襯底表面形成一個(gè)電子層，稱為N型薄層，也稱為反型層。這個(gè)反型層（電子層）把源極S（N+型）、漏極D（N+型）區(qū)連通，構(gòu)成了源極S與漏極D之間的N型導(dǎo)電溝道。2.工作原理這時(shí)，只要在漏極D、源極S之間加上正向電壓，電子就會(huì)沿著反型層由源極S向漏極D移動(dòng)，形成漏極電流ID，如圖5-52b）所示。這也解釋了表5-20序號(hào)2的發(fā)光二極管為什么不發(fā)光？而序號(hào)3的發(fā)光二極管會(huì)發(fā)光的原因。圖5-52N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管外加電壓示意圖a）UGS>UGS(th)時(shí)產(chǎn)生溝道b）D、S端外加正向電壓時(shí)溝道流過電流ID2.工作原理將開始形成反型層所需的UGS電壓稱為開啟電壓，用UGS（th）表示，其大小由MOSFET管的工藝參數(shù)確定。由于這種溝道只有在柵極G與源極S之間加上正電壓以后才產(chǎn)生，故稱為增強(qiáng)型MOSFET。產(chǎn)生導(dǎo)電溝道后，若繼續(xù)增大UGS，則導(dǎo)電溝道增厚，溝道內(nèi)電阻減少，漏極電流ID增大。由此可知，MOSFET具有電壓控制電流作用，通過控制加在柵極G與源極S之間的電壓UGS，可以控制漏極電流ID的大小。

3.伏安特性NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管的伏安特性是指其漏極電流與極間（柵源極、漏源極）電壓之間的函數(shù)關(guān)系，分為輸入轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。圖5-53NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管的輸入轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性3.伏安特性輸入轉(zhuǎn)移特性是用來描述NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管的漏源極之間電壓UDS為某一常數(shù)時(shí)，NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管漏極電流iD與柵源極電壓uGS之間的函數(shù)關(guān)系，即：ID=f（UGS）|UDS=固定值。該函數(shù)關(guān)系反應(yīng)柵源極輸入電壓UGS對漏極電流ID的控制作用，如圖5-53所示。NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管放大工作時(shí)的轉(zhuǎn)移特性曲線近似地具有平方律特性，可表示為：式中：IDO是UGS=2UGS（th）時(shí)的值。圖5-54N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的輸出特性曲線3.伏安特性2．輸出特性輸出特性是用來描述NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管的柵源極之間電壓UGS為某一常數(shù)時(shí)，其漏極電流iD與漏源極電壓uDS之間的函數(shù)關(guān)系，即：ID=f（UDS）|UGS=固定值。根據(jù)該函數(shù)關(guān)系可知，取不同的UGS值，可得到不同的函數(shù)關(guān)系式，因此對應(yīng)一個(gè)NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管的輸入電壓UGS，便可以畫出一根曲線，不同的UGS值，曲線不同，故其輸出特性曲線也是由一簇曲線組成，如圖5-54所示。在圖中每一條曲線都與一個(gè)UGS值相對應(yīng)。根據(jù)輸出特性曲線，NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管可分為：截止、飽和（或恒流）和可變電阻三個(gè)工作區(qū)域。2.輸出特性3.伏安特性（1）截止區(qū)

指UGS<UGS（th）的區(qū)域，這時(shí)因?yàn)闊o導(dǎo)通溝道，所以ID=0，管子截止。（2）飽和（恒流、放大）區(qū)

指NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管導(dǎo)通，且UGS較大，滿足UDS>UGS-UGS（th）的區(qū)域，曲線為一簇基本平行于UDS軸的略微上翹的直線，表明在該區(qū)域內(nèi)，ID基本僅受UGS控制而與UDS的值無關(guān)。ID不隨UDS而變化的現(xiàn)象，在場效應(yīng)管中稱為飽和，所以這個(gè)區(qū)域也稱為飽和區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管的漏源極之間相當(dāng)于一個(gè)受柵源極電壓UGS控制的電流源，故又稱為恒流區(qū)。NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管用于放大電路時(shí)，一般工作在該區(qū)域，該區(qū)域又稱為放大區(qū)。（3)可變電阻區(qū)

指NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管導(dǎo)通，但UDS較小的區(qū)域，伏安曲線為一簇直線。說明當(dāng)UGS一定時(shí)，ID與UDS呈線性關(guān)系，其漏極與源極之間等效為電阻；改變UGS可以改變直線的斜率，也就控制了漏極與源極之間的電阻值。因此，在該區(qū)域，漏極與源極之間相當(dāng)于一個(gè)受柵源極電壓UGS控制的可變電阻，所以稱為可變電阻區(qū)。圖5-54中的虛線是根據(jù)UDS=UGS-UGS（th）畫出的，稱為預(yù)夾斷軌跡。它是飽和區(qū)和可變電阻區(qū)的分界線，當(dāng)UDS>UGS-UGS（th）時(shí)，NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管工作在飽和區(qū)；當(dāng)UDS<UGS-UGS（th）時(shí)，NMOS增強(qiáng)型場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，故該區(qū)域又稱為非飽和區(qū)。二N溝道耗盡型MOSFET1.結(jié)構(gòu)與符號(hào)圖5-55N溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)a）N溝道耗盡型MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖

b）圖形符號(hào)N溝道耗盡型MOSFET簡稱為NDMOS管（DMOS即DepletionMOS），其結(jié)構(gòu)基本與增強(qiáng)型相似，如圖5-55a）所示。不同的是，在制造耗盡型MOSFET管時(shí)，通常在二氧化硅（SiO2）絕緣層中摻入大量的正離子，由于正離子的作用，使漏源極間的P型襯底表面在UGS=0時(shí)就已感應(yīng)出N反型層，形成導(dǎo)電溝道，見圖5-55a），N溝道耗盡型MOSFET管的圖形符號(hào)如圖5-55b）所示。2.工作原理N溝道耗盡型MOSFET的工作原理與增強(qiáng)型相似，具有電壓控制電流的作用。只是由于存在原始導(dǎo)電溝道，只要在漏源極之間加上正向電壓UDS，則在UGS=0時(shí)也會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID；當(dāng)UGS由零值正向增大時(shí)，反型層增厚，內(nèi)阻減小，ID增大；反之，當(dāng)UGS由零值減小向負(fù)值時(shí)，反型層變薄，內(nèi)阻增大，ID減小。當(dāng)UGS下降到某一負(fù)值時(shí)，反型層消失，N溝道耗盡型場效應(yīng)管截止，ID=0。使反型層消失所需的柵源極電壓UGS稱為夾斷電壓，用UGS（off）表示。3.伏安特性N溝道耗盡型MOSFET的伏安特性如圖5-56所示。圖5-56a）為轉(zhuǎn)移特性，參數(shù)IDSS稱為漏極飽和電流。它是指UGS=0且管子工作于飽和區(qū)的漏極電流。N溝道耗盡型MOSFET在UGS為正值、負(fù)值、零時(shí)，管子都會(huì)導(dǎo)通工作。N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性與增強(qiáng)型相似，也分為截止、飽和（恒流、放大）和可變電阻區(qū)，如圖5-56b）所示。3.伏安特性圖5-56N溝道耗盡型MOS場效應(yīng)管伏安特性a）轉(zhuǎn)移特性

b）輸出特性三P溝道MOSFET管P溝道MOSFET管P溝道MOSFET也分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類，其工作原理與N溝道MOSFET基本相似，使用時(shí)，UGS、UDS的極性與N溝道MOSFET相反，漏極電流ID的方向也與N溝道MOSFET的漏極電流相反，由源極流向漏極。P溝道MOSFET以N型半導(dǎo)體為襯底，兩個(gè)P+區(qū)分別作為源極和漏極，導(dǎo)電溝道為P型反型層，其符號(hào)如圖5-57所示。改變柵壓可以改變溝道中的空穴密度，從而改變溝道的電阻。這種MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管。如果N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道，加上適當(dāng)?shù)钠珘海墒箿系赖碾娮柙龃蠡驕p小，這樣的MOS場效應(yīng)管稱為P溝道耗盡型場效應(yīng)管。P溝道MOSFET管圖5-57P溝道MOSFET管a）P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)b）P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管電路符號(hào)c）

P溝道耗盡型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)d）P溝道耗盡型場效應(yīng)管電路符號(hào)e）f）P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管供電電路a）b）c）d）e）d）P溝道MOSFET管

P溝道MOS場效應(yīng)管的空穴遷移率低，因而在幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下，PMOS場效應(yīng)管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS場效應(yīng)管。此外，P溝道MOS場效應(yīng)管閾值電壓的絕對值一般偏高，要求有較高的工作電壓。PMOS場效應(yīng)管因邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在多數(shù)應(yīng)用常合已被NMOS場效應(yīng)管所取代。只是因PMOS場效應(yīng)管工藝簡單,價(jià)格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS場效應(yīng)管。四VMOS場效應(yīng)管VMOS場效應(yīng)管

VMOS（Venical-MOSFET）功率場效應(yīng)管是單極型電壓控制器件。具有驅(qū)動(dòng)功率小、輸入阻抗高、輸出電阻相對低、工作速度快、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著特點(diǎn)，還具有電流負(fù)溫度系數(shù)、良好的電流自動(dòng)調(diào)節(jié)能力、良好的熱穩(wěn)定性和抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，適用于電力變換器、逆變器、交流調(diào)速系統(tǒng)等大功率電力電子設(shè)備中。

VMOS功率場效應(yīng)管是一種垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)、等效電路及電路符號(hào)如圖5-58所示。VMOS管的結(jié)構(gòu)是在N+（高摻雜的N型半導(dǎo)體）襯底的N-（低摻雜）外延層上，先后進(jìn)行P型區(qū)N+型區(qū)兩次擴(kuò)散，再利用晶體硅的各向異性刻蝕技術(shù)，造出V型槽，槽的開口深度由開口寬度決定，溝道長度由擴(kuò)散的深度差決定，因此該結(jié)構(gòu)一次改變了MOS管的電流方向，電流從N+源極出發(fā)，經(jīng)過N溝道，流到N-漂移區(qū)，最后垂直地流向漏極。VMOS場效應(yīng)管圖5-58VMOS場效應(yīng)管a)VMOS的結(jié)構(gòu)

b)等效電路

c)電氣符號(hào)VMOS場效應(yīng)管

若在柵源之間施加足夠大的正電壓，則會(huì)在柵極下P區(qū)感應(yīng)出電子形成V型N型溝道（反型層），把襯底N+區(qū)與源極N+區(qū)勾通起來。這時(shí)，若在漏源之間施加電壓，則主電流便會(huì)從漏極經(jīng)過漏區(qū)、溝道和源區(qū)流入源極。如柵源之間加負(fù)電壓，則柵極下P區(qū)呈現(xiàn)空穴堆積狀態(tài)，不可能出現(xiàn)反型層，無法勾通源區(qū)與漏區(qū)；即使柵源電壓為正向偏壓，但數(shù)值不夠大時(shí)，柵極下的P區(qū)呈耗盡狀態(tài)也不會(huì)出現(xiàn)反型層，同樣無法勾通源區(qū)與漏區(qū)。這兩種情況下，VMOS都處于截止?fàn)顟B(tài)，即使施加正向漏極電壓也沒有漏極電流?？梢?，柵極電壓可控制溝道電阻，從而可控制漏極電流的大小。

由結(jié)構(gòu)圖還可看出，VMOS中還分別存在一個(gè)寄生的三極管和一個(gè)反并聯(lián)二極管，見圖5-58b）等效電路，這使VMOS的反向特性像一個(gè)PN結(jié)整流二極管。五結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管

結(jié)型場效應(yīng)管只有N溝道和P溝道耗盡型兩種。其結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖5-59所示。結(jié)型場效應(yīng)管的源極和漏極位于相對的兩端，而柵極位于源極和漏極之間，通過控制柵極電壓來控制源極和漏極之間的電流。圖5-59結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)a）N溝道結(jié)構(gòu)b）N溝道圖形符號(hào)c）P溝道結(jié)構(gòu)d）P溝道圖形符號(hào)結(jié)型場效應(yīng)管在N溝道結(jié)型場效應(yīng)管中，源極和漏極由N型半導(dǎo)體構(gòu)成，而柵極由P型半導(dǎo)體構(gòu)成，形成PN結(jié)。當(dāng)在源極和漏極之間施加電壓（UDS）時(shí)，如果柵源極電壓UGS=0，則會(huì)有電流從漏極流向源極，產(chǎn)生漏極電流ID。當(dāng)在柵極和源極之間施加負(fù)電壓時(shí)，即UGS<0，會(huì)使得場效應(yīng)管內(nèi)部的PN結(jié)的耗盡層變寬，從而使得源極和漏極之間的導(dǎo)電通道變窄，電阻增加，電流減小。這個(gè)過程中，耗盡層的寬度和位置可以通過柵極電壓來控制，實(shí)現(xiàn)了以電壓控制電流的目的。當(dāng)UGS達(dá)到某一負(fù)值使得源極和漏極之間的導(dǎo)電通道消失，ID=0時(shí)，稱該電壓為夾斷電壓UGS（off）。由于結(jié)型場效應(yīng)管的柵極不是絕緣的，為了使場效應(yīng)管呈現(xiàn)高輸入電阻，柵極電流近似為零，應(yīng)使柵極與溝道間的PN結(jié)反偏截止。因此，對于N溝道結(jié)型場效應(yīng)管，柵極電位不能高于源極和漏極電位，要求UGS<0，UDS>0。對于P溝道結(jié)型場效應(yīng)管，柵極電位不能低于源極和漏極電位，要求UGS≥0，UDS<0。六場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的參數(shù)是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)選用管子的依據(jù)，主要有開啟電壓UGS（th）和夾斷電壓UGS（off）、飽和漏極電流IDss、直流輸入電阻RGS、低頻跨導(dǎo)gm、最大漏極電流IDM、柵源擊穿電壓U（BR）DS、最大耗散功率PDM等。1.開啟電壓UGS（th）和夾斷電壓UGS（off）

開啟電壓UGS（th）是增強(qiáng)型場效應(yīng)管產(chǎn)生導(dǎo)電溝道所需的柵源極間電壓，夾斷電壓UGS（off）是耗盡型場效應(yīng)管夾斷導(dǎo)電溝道所需的柵源極間電壓。它們都是決定溝道有否的“門檻電壓”。通常，令UDS等于某一固定電壓值（一般為10V），調(diào)節(jié)UGS使ID等于某一微小電流，這時(shí)的UGS值對于增強(qiáng)型場效應(yīng)管為開啟電壓，對于耗盡型場效應(yīng)管則為夾斷電壓。場效應(yīng)管的主要參數(shù)2.飽和漏極電流IDSS飽和漏極電流IDSS是耗盡型場效應(yīng)管的參數(shù)，是指工作于飽和區(qū)的耗盡型場效應(yīng)管在UGS=0時(shí)的漏極電流。3.直流輸入電阻RGS指在漏源極之間短路的條件下，柵源極間加一定電壓時(shí)的柵源極直流電阻。一般大于108Ω。4.低頻跨導(dǎo)gm

指UDS為常數(shù)時(shí)，漏極電流的微變量和引起這個(gè)變化的柵源極電壓微變量之比，即場效應(yīng)管的主要參數(shù)gm與場效應(yīng)管的工作點(diǎn)有關(guān)，是表征場效應(yīng)管放大能力的重要參數(shù)，反映了uGS對iD的控制能力，單位為西門子，簡稱西，符號(hào)為S，其值范圍一般為零點(diǎn)幾至幾毫西。增強(qiáng)型場效應(yīng)管工作在飽和（恒流、放大）區(qū)時(shí)，gm的計(jì)算公式為：

上式中：UGSQ、IDQ分別為靜態(tài)下場效應(yīng)管柵源極電壓和靜態(tài)漏極電流。耗盡型場效應(yīng)管工作在飽和（恒流、放大）區(qū)時(shí)，gm的計(jì)算公式為：場效應(yīng)管的主要參數(shù)5.最大漏極電流IDM指場效應(yīng)管正常工作時(shí)，允許流過的最大漏極電流。6.柵源極擊穿電壓U（BR）GS指柵源極間所能承受的最大反向電壓，當(dāng)UGS超過此值時(shí)，會(huì)擊穿柵源極。7.漏源極擊穿電壓U（BR）DS指漏源極間所能承受的最大電壓，當(dāng)UDS超過U（BR）DS值時(shí)，會(huì)擊穿漏源極，漏極電流iD開始急劇增加。8.最大耗散功率PDM指允許耗散在管子上的最大功率，其大小受管子最高工作溫度的限制。七場效應(yīng)管使用常識(shí)1.命名

國產(chǎn)場效應(yīng)管的型號(hào)有兩種命名方法。第一種方法與雙極型晶體管類似，如圖5-60所示。例如：3CJ6D是P溝道結(jié)場效應(yīng)管；3DO6C是N溝道絕緣柵型場效應(yīng)管。第二種方法是用字母CS代表場效應(yīng)管，其后綴數(shù)字和字母代表型號(hào)的序號(hào)和同一型號(hào)中的不同規(guī)格。圖5-60場效應(yīng)管型號(hào)命名2.各類場效應(yīng)管圖形符號(hào)和轉(zhuǎn)移特性表5-23各類場效應(yīng)管圖形符號(hào)和轉(zhuǎn)移特性類型N溝道P溝道MOS結(jié)型MOS結(jié)型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型圖形符號(hào)

電壓極性UDS正負(fù)UGS正正、負(fù)、零負(fù)、零負(fù)正、負(fù)、零正、零飽和區(qū)偏置條件UGS>UGS（th）UDS≥UGS-UGS（th）UGS>UGS（off）UDS≥UGS-UGS（off）UGS<UGS（th）UDS≤UGS-UGS（th）UGS<UGS（off）UDS≤UGS-UGS（off）轉(zhuǎn)移特性

2.各類場效應(yīng)管圖形符號(hào)和轉(zhuǎn)移特性想一想

a）

b）

c）

d）下列a）、b）、c）、d）四個(gè)圖分別代表四種場效應(yīng)管，試判斷它們各自代表何種類型的場效應(yīng)管。對增強(qiáng)型試求開啟電壓UGS（th）；對耗盡型，試求夾斷電壓UGS（off）和飽和漏極電流IDSS。3.使用注意事項(xiàng)

（1）為防止外電場對MOS場效應(yīng)管的作用而損壞，MOS場效應(yīng)管在未應(yīng)用到實(shí)際電路時(shí)，柵極不得懸空，應(yīng)該置于防靜電環(huán)境或三個(gè)引腳短接保存。在安裝時(shí)，應(yīng)該先短接三個(gè)引腳，待電路焊裝完畢，并確認(rèn)柵源極間有直流通路后，再去掉短接線。MOS場效應(yīng)管一般情況下不能用萬用表檢測，必須用專用測試儀。

（2）結(jié)型場效應(yīng)管柵源極電壓的極性不能接反，否則容易損壞場效應(yīng)管內(nèi)部的PN結(jié)。結(jié)型場效應(yīng)管可以用萬用表檢測。

（3）焊接場效應(yīng)管的電烙鐵外殼必須裝有接地線，以防止由于電烙鐵帶點(diǎn)造成管子損壞。在焊接MOS管時(shí)，要切斷電烙鐵電源，利用電烙鐵余溫進(jìn)行焊接。4.場效應(yīng)管極性判別與檢測表5-24場效應(yīng)管極性判別與檢測

場效應(yīng)管極性判別與檢測如表5-24所示（僅以N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例，檢測時(shí)務(wù)必做好防靜電工作。）。序號(hào)實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施示意圖1

場效應(yīng)管極性判別：直插式場效應(yīng)管有字符標(biāo)記的朝向眼睛，其極性從左到右排列為：左邊的為柵極G、中間的為漏極D、右邊的為源極S，見右上圖所示；貼片式場效應(yīng)管類似，其極性排列如右下圖所示。

2把數(shù)字萬用表調(diào)到測二極管擋位，打開電源，用短接線短接場效應(yīng)管的G、S極（目的是防止靜電）見右圖所示。

4.場效應(yīng)管極性判別與檢測表5-24場效應(yīng)管極性判別與檢測場效應(yīng)管極性判別與檢測如表5-24所示（僅以N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例，檢測時(shí)務(wù)必做好防靜電工作。）。序號(hào)實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施示意圖3

接著用數(shù)字萬用表的紅表筆觸碰場效應(yīng)管D極，黑表筆觸碰場效應(yīng)管S極，見右上圖，發(fā)現(xiàn)數(shù)字萬用表顯示屏顯示“1”；再接著用數(shù)字萬用表的紅表筆觸碰場效應(yīng)管S極，黑表筆觸碰場效應(yīng)管D極，見右下圖，發(fā)現(xiàn)數(shù)字萬用表顯示屏顯示0.480V，表明所測場效應(yīng)管的DS間存在續(xù)流二極管（如果沒有續(xù)流二極管，則數(shù)字萬用表顯示屏應(yīng)該顯示“1”，如果顯示屏顯示數(shù)值不為“1”，表明場效應(yīng)管損壞。）若發(fā)現(xiàn)兩次測量過程中，數(shù)字萬用表顯示屏顯示數(shù)值很小，表明場效應(yīng)管擊穿損壞。

4.場效應(yīng)管極性判別與檢測表5-24場效應(yīng)管極性判別與檢測說明：讀者可結(jié)合表5-23列舉的場效應(yīng)管轉(zhuǎn)移特性和表5-24的判別方法自行檢測其它類型場效應(yīng)管的極性和性能。場效應(yīng)管極性判別與檢測如表5-24所示（僅以N溝道增強(qiáng)型MOSFET為例，檢測時(shí)務(wù)必做好防靜電工作。）。序號(hào)實(shí)施項(xiàng)目實(shí)施示意圖3

再接著用數(shù)字萬用表的紅表筆觸碰場效應(yīng)管G極、黑表筆觸碰S極，再去掉GS之間的短接線，如右上圖所示，并固定兩表筆3秒左右，黑表筆保持不動(dòng)，把數(shù)字萬用表擋位調(diào)至電阻200k擋，用紅表筆觸碰場效應(yīng)管D極，見右下圖，發(fā)現(xiàn)數(shù)字萬用表顯示屏顯示數(shù)值為0.6，表明場效應(yīng)管DS導(dǎo)通，阻值很小，為0.6Ω，表明場效應(yīng)管正常。如果顯示屏顯示數(shù)值為“1”，表明場效應(yīng)管損壞（排除數(shù)字萬用表電池電壓不足的情況）。

檢測完畢，需要用短接線短接場效應(yīng)管GS極，收好數(shù)字萬用表和場效應(yīng)管。

八場效應(yīng)管的基本應(yīng)用場效應(yīng)管的基本應(yīng)用UGSQ=VGG利用場效應(yīng)管可構(gòu)成放大電路、開關(guān)電路、電流源、壓控電阻等，下面介紹常見的NMOS單管放大電路。1.電路組成由NMOSFET構(gòu)成的單管放大電路如圖5-61所示，圖5-61a）中的ui為待放大的輸入電壓，uo為放大電路放大后的輸出電壓，由于源極作為輸入、輸出回路的公共端，所以稱為共源極電路（類似晶體管的共發(fā)射極電路）。VGG是為柵源極提供直流偏置電壓，VDD是為漏源極提供直流偏置偏壓，以設(shè)置NMOSFET的合適靜態(tài)工作點(diǎn)，保證管子工作在飽和區(qū)（放大區(qū)）。RD為漏極負(fù)載電阻，起到將輸出電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓作用。RG為柵極電阻，用于提供柵源極間直流通路。C1、C2為耦合電容，起到隔直流通交流作用。2.靜態(tài)工作點(diǎn)當(dāng)放大電路的輸入信號(hào)ui=0時(shí)，放大電路處于靜態(tài)工作狀態(tài)，此時(shí)，放大電路可以等效為圖5-61b）所示的直流通路。由于MOS管柵極電流IG=0，故可以求得靜態(tài)工作點(diǎn)為：場效應(yīng)管的基本應(yīng)用3.信號(hào)放大只要NMOSFET的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合適，保證管子工作于飽和區(qū)，則可以在NMOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線上根據(jù)uGS=UGS+ui的變化規(guī)律畫出對應(yīng)的iD波形，如圖5-62所示。iD=IDQ+id。UDS=VDD-RDiD=VDD-（IDQ+id）RD=UDSQ+uds，uDS經(jīng)C2隔直流后，僅輸出uds。式中，UDSQ=VDD-IDQRD。Uds=-idRD=-IdmRDsinwt，表明uds也是正弦波，相位與輸入信號(hào)相反。3.信號(hào)放大圖5-62圖形分析圖5-61單管共源極放大電路a）單管共源極放大電路

b）直流通路場效應(yīng)管的基本應(yīng)用4.場效應(yīng)管的小信號(hào)電路模型圖5-63場效應(yīng)管的小信號(hào)電路模型場效應(yīng)管的基本應(yīng)用與晶體管一樣，場效應(yīng)管工作在交流小信號(hào)狀態(tài)時(shí)，也可以等效為一個(gè)線性電路，如圖5-63所示。由于場效應(yīng)管柵極電流IG=0，故柵源極之間近似開路；由于場效應(yīng)管處于放大工作狀態(tài)時(shí)，id=gmugs，因此，輸出端漏極和源極之間可等效為壓控電流源gmugs。該模型適用于對場效應(yīng)管低頻小信號(hào)放大電路進(jìn)行交流分析，并且可用來計(jì)算放大電路的電壓放大倍數(shù)Au、輸入電阻Ri和輸出電阻RO。4.場效應(yīng)管的小信號(hào)電路模型場效應(yīng)管的基本應(yīng)用場效應(yīng)管的基本應(yīng)用4.場效應(yīng)管的小信號(hào)電路模型圖5-64場效應(yīng)管放大電路a）放大電路圖

b）小信號(hào)等效電路4.場效應(yīng)管的小信號(hào)電路模型場效應(yīng)管的基本應(yīng)用九NMOSFET在斬波電路（DC-DC變換器）的應(yīng)用1.斬波電路斬波電路是指通過控制電力電子開關(guān)器件（如：晶體管、場效應(yīng)管、IGBT等）的快速通、斷來把恒定的直流電壓或電流斬切成一系列的脈沖電壓或電流。脈沖電壓或電流經(jīng)濾波（一般采用LC濾波電路），便可在負(fù)載上獲得平均值小于或大于輸入的直流電壓或電流，這個(gè)過程也稱為直流--直流變換(DC/DC

Converter)，其變換框圖如圖5-65所示（以NMOSFET的應(yīng)用為例）。圖5-65斬波電路框圖1.斬波電路圖5-66斬波電路控制方式a）脈沖寬度調(diào)制（PWM）b）脈沖頻率調(diào)制（PFM）當(dāng)圖5-65中的VT導(dǎo)通時(shí)，加到負(fù)載RL上的電壓UL=E，VT關(guān)斷時(shí)則為零。如果令周期T=Te，則負(fù)載上的平均電壓為：

式中te——VT（NMOSFET）導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間。從上式可知，欲改變負(fù)載RL上的直流平均電壓UL，如圖5-66所示，有兩種方法：①周期Te為常數(shù)，改變te，叫脈寬調(diào)制法（PWM），即定頻調(diào)寬式，見圖5-66a）。②te為常數(shù)，改變周期Te的大小，叫頻率控制法(PFM)，即定寬調(diào)頻式，見圖5-66b）。2.斬波電路的分類圖5-67直流降壓電路組成斬波電路的種類較多，根據(jù)其電路結(jié)構(gòu)及功能分類，主要有以下六種基本類型：降壓(Buck)斬波電路、升壓(Boost)斬波電路、升降壓(Buck-Boost)斬波電路、丘克(Cuk)斬波電路，其中前兩種是最基本的電路，后兩種是前兩種基本電路的組合形式。由基本斬波電路衍生出來的Sepic斬波電路和Zeta斬波電路也是較為典型的電路。本任務(wù)僅介紹Buck電路和Boost電路。1）Buck電路顧名思義，降壓斬波器的輸出平均電壓UO小于輸入電壓Ui，輸出電壓與輸入電壓極性相同。常見電路如圖5-67所示。圖中電容C為濾波電容；緩沖電感L用于限制VT導(dǎo)通時(shí)的瞬間電流突變，以保護(hù)NMOSFET開關(guān)管VT，并與電容C組成LC濾波電路；VT內(nèi)部的阻尼二極管為緩存電感L產(chǎn)生的反向感應(yīng)電動(dòng)勢提供釋放通路，當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，緩沖電感L因流過的電流突變，會(huì)產(chǎn)生過高的感應(yīng)電動(dòng)勢，加在VT的源漏極之間，如果此感應(yīng)電勢不加以釋放，就有可能造成VT因所加的反向電壓過高而擊穿的危險(xiǎn)；VD為續(xù)流二極管，為電容C提供放電通路；RL為負(fù)載電阻。2.斬波電路的分類Buck電路圖5-68連續(xù)輸出波形VT漏極輸出的波形如圖5-68所示，經(jīng)LC濾波輸出的平均電壓如藍(lán)線所示。改變VT導(dǎo)通的時(shí)間（te），即脈沖寬度，即可改變輸出電壓，在時(shí)間t1前，te1脈沖較寬、間隔窄，平均電壓（U01）較高；在時(shí)間t1后，te2脈沖變窄，平均電壓（U02）降低。固定方波周期T不變，改變占空比調(diào)節(jié)輸出電壓稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）法，也稱為定頻調(diào)寬法。由于輸出電壓比輸入電壓低，故稱之為降壓斬波電路或Buck變換器。2.斬波電路的分類Buck電路圖5-69經(jīng)LC濾波后輸出的脈動(dòng)直流電壓波形Uo,圖中U0<Ui由斬波電路輸出的方波脈沖屬于脈動(dòng)信號(hào)，經(jīng)LC組成的濾波電路濾波后，輸出脈動(dòng)的直流電壓Uo，如圖5-69所示。在圖中，當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，向負(fù)載RL輸電，L與C蓄能；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，C向負(fù)載R