场效应管与三极管基础知识教材.docx

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场效应管与三极管基础知识教材

mos管分四种，N沟道增强型和耗尽型，P沟道增强型和耗尽型。

箭头指向g的且带虚线的为N增强，没有虚线的为N耗尽。

箭头背向g端的且带虚线的为P增强，不带虚线则为P耗尽。

希望说的你能明白，小妹新手，多多关照！

有没说清楚的继续，呵呵···

场效应管

Cds---漏-源电容

Cdu---漏-衬底电容

Cgd---栅-源电容

Cgs---漏-源电容

Ciss---栅短路共源输入电容

Coss---栅短路共源输出电容

Crss---栅短路共源反向传输电容

D---占空比（占空系数，外电路参数）

di/dt---电流上升率（外电路参数）

dv/dt---电压上升率（外电路参数）

ID---漏极电流（直流）

IDM---漏极脉冲电流

ID（on）---通态漏极电流

IDQ---静态漏极电流（射频功率管）

IDS---漏源电流

IDSM---最大漏源电流

IDSS---栅-源短路时，漏极电流

IDS（sat）---沟道饱和电流（漏源饱和电流）

IG---栅极电流（直流）

IGF---正向栅电流

IGR---反向栅电流

IGDO---源极开路时，截止栅电流

IGSO---漏极开路时，截止栅电流

IGM---栅极脉冲电流

IGP---栅极峰值电流

IF---二极管正向电流

IGSS---漏极短路时截止栅电流

IDSS1---对管第一管漏源饱和电流

IDSS2---对管第二管漏源饱和电流

Iu---衬底电流

Ipr---电流脉冲峰值（外电路参数）

gfs---正向跨导

Gp---功率增益

Gps---共源极中和高频功率增益

GpG---共栅极中和高频功率增益

GPD---共漏极中和高频功率增益

ggd---栅漏电导

gds---漏源电导

K---失调电压温度系数

Ku---传输系数

L---负载电感（外电路参数）

LD---漏极电感

Ls---源极电感

rDS---漏源电阻

rDS（on）---漏源通态电阻

rDS（of）---漏源断态电阻

rGD---栅漏电阻

rGS---栅源电阻

Rg---栅极外接电阻（外电路参数）

RL---负载电阻（外电路参数）

R（th）jc---结壳热阻

R（th）ja---结环热阻

PD---漏极耗散功率

PDM---漏极最大允许耗散功率

PIN--输入功率

POUT---输出功率

PPK---脉冲功率峰值（外电路参数）

to（on）---开通延迟时间

td（off）---关断延迟时间

ti---上升时间

ton---开通时间

toff---关断时间

tf---下降时间

trr---反向恢复时间

Tj---结温

Tjm---最大允许结温

Ta---环境温度

Tc---管壳温度

Tstg---贮成温度

VDS---漏源电压（直流）

VGS---栅源电压（直流）

VGSF--正向栅源电压（直流）

VGSR---反向栅源电压（直流）

VDD---漏极（直流）电源电压（外电路参数）

VGG---栅极（直流）电源电压（外电路参数）

Vss---源极（直流）电源电压（外电路参数）

VGS（th）---开启电压或阀电压

V（BR）DSS---漏源击穿电压

V（BR）GSS---漏源短路时栅源击穿电压

VDS（on）---漏源通态电压

VDS（sat）---漏源饱和电压

VGD---栅漏电压（直流）

Vsu---源衬底电压（直流）

VDu---漏衬底电压（直流）

VGu---栅衬底电压（直流）

Zo---驱动源内阻

η---漏极效率（射频功率管）

Vn---噪声电压

aID---漏极电流温度系数

ards---漏源电阻温度系数

三极管开关电路基础发布时间：

2008-12-0823:

08:

32 

三极管简介:

三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。

三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。

实际上箭头所指的方向是电流的方向。

        图1

双极面结型晶体管有两个类型：

npn和pnp。

npn类型包含两个n型区域和一个分隔它们的p型区域；pnp类型则包含两个p型区域和一个分隔它们的n型区域，图2和图3分别是它们的电路符号。

以下的说明将集中在npnBJT。

         图2:

npnBJT的电路符号

           图3:

pnpBJT的电路符号

BJT工作于三种不同模式：

截止模式、线性放大模式及饱和模式，见图4。

              图4四种工作模式

BJT在电子学中是非常重要的元件。

它们被广泛应用在其他展品中，特别是模拟电路里的放大器和数码电路里的电子开关。

开关电路原则

a.BJT三极管Transistors     只要发射极e对电源短路就是电子开关用法

       N管发射极E对电源负极短路.低边开关;b-e正向电流饱和导通

        P管发射极E对电源正极短路.      高边开关 ;b-e 反向电流饱和导通

b.FET场效应管MOSFET 只要源极S对电源短路就是电子开关用法

   N管源极S对电源负极短路.低边开关   ;栅-源正向电压导通

   P管源极S对电源正极短路.   高边开关   ;栅-源 反向电压导通

总结:

     低边开关用NPN管

     高边开关用PNP管

三极管b-e必须有大于C-E饱和导通的电流

场效应管理论上栅-源有大于漏-源导通条件的电压就就OK

假如原来用NPN三极管作ECU氧传感器加热电源控制低边开关

则直接用    N-Channel 场效应管代换   ;或看情况修改下拉或上拉电阻

                           基极--栅极

                        集电极--漏极

                         发射极--源极

NPN和PNP开关三极管

（1）我把NPN三极管看成一个三个脚继电器.

基极-----就是一个小电流的.继电器的信号吧

集电极-----可以说是正极吧

发射极------可以说负极吧

有一个小电流流入了基极的话那么集电极和发射极就会通.

（2）PNP三极管看成一个三个脚继电器.

基极-----就是一个小电流的继电器信号

集电极-----可以说是正极吧

发射极------可以说负极吧

有一个小电流流出了基极的话，那么集电极和发射极就会通.

三极管VS场效应管

三极管BJT--------TRANSISTORS-----------电流驱动

场效应管-----FET-------------------------电压驱动

MOS场效应管      MOSFET................电压驱动

2N7002

　　2n7002IC产品型号的一种

描述：

　　晶体管极性:

N沟道

　　漏极电流,Id最大值:

280mA

　　电压,Vds最大:

60V

　　开态电阻,Rds（on）:

5ohm

　　电压@Rds测量:

10V

　　电压,Vgs最高:

2.1V

　　功耗:

0.2W

　　工作温度范围:

-55to150

　　封装类型:

SOT-23

　　针脚数:

3

　　SVHC（温度关注物质）:

Cobaltdichloride（18-Jun-2010）

　　SMD标号:

702

　　功率,Pd:

0.2W

　　外宽:

3.05mm

　　外部深度:

2.5mm

　　外部长度/高度:

1.12mm

　　封装类型:

SOT-23

　　带子宽度:

8mm

　　晶体管数:

1

　　晶体管类型:

MOSFET

　　温度@电流测量:

25°C

　　满功率温度:

25°C

　　电压Vgs@Rdson测量:

10V

　　电压,Vds典型值:

60V

　　电流,Id连续:

0.115A

　　电流,Idm脉冲:

0.8A

　　表面安装器件:

表面安装

　　通态电阻,Rdson@Vgs=10V:

5ohm

　　通态电阻,Rdson@Vgs=4.5V:

5.3ohm

　　阈值电压,Vgsth典型值:

2.1V

　　阈值电压,Vgsth最高:

2.5V

　　SVHC（高度关注物质）（附加）:

Bis（2-ethyl（hexyl）phthalate）（DEHP）（18-Jun-2010）

MOS管的基本知识（转载）  

2011-05-0706:

39:

32|  分类：

电路硬件设计|  标签：

|字号大中小 订阅

现在的高清、液晶、等离子电视机中开关电源部分除了采用了PFC技术外，在元器件上的开关管均采用性能优异的MOS管取代过去的大功率晶体三极管，使整机的效率、可靠性、故障率均大幅的下降。

由于MOS管和大功率晶体三极管在结构、特性有着本质上的区别，在应用上；驱动电路也比晶体三极管复杂，致使维修人员对电路、故障的分析倍感困难，此文即针对这一问题，把MOS管及其应用电路作简单介绍，以满足维修人员需求。

一、什么是MOS管

MOS管的英文全称叫MOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。

因此，MOS管有时被称为绝缘栅场效应管。

在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。

1、MOS管的构造；

在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上，用半导体光刻、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，分别作为漏极D和源极S。

然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅（Si02）绝缘层膜，在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极，作为栅极G。

这就构成了一个N沟道（NPN型）增强型MOS管。

显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。

图1-1所示A、B分别是它的结构图和代表符号。

同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区，及上述相同的栅极制作过程，就制成为一个P沟道（PNP型）增强型MOS管。

图1-2所示A、B分别是P沟道MOS管道结构图和代表符号。

图1-1-A

图1-2-A

2、MOS管的工作原理：

图1-3是N沟道MOS管工作原理图

图1-3-A

图1-3-B

从图1-3-A可以看出，增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。

当栅-源电压VGS=0时，即使加上漏-源电压VDS，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道（没有电流流过），所以这时漏极电流ID=0。

此时若在栅-源极间加上正向电压，图1-3-B所示，即VGS＞0，则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场，由于氧化物层是绝缘的，栅极所加电压VGS无法形成电流，氧化物层的两边就形成了一个电容，VGS等效是对这个电容充电，并形成一个电场，随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道，当VGS大于管子的开启电压VT（一般约为2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID，我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，一般用VT表示。

控制栅极电压VGS的大小改变了电场的强弱，就可以达到控制漏极电流ID的大小的目的，这也是MOS管用电场来控制电流的一个重要特点，所以也称之为场效应管。

3、MOS管的特性；

上述MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的，由于Sio2绝缘层的存在，在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在，电压VGS产生电场从而导致源极-漏极电流的产生。

此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小，控制栅极电压VGS的大小就可以控制漏极电流ID的大小。

这就可以得出如下结论：

1）MOS管是一个由改变电压来控制电流的器件，所以是电压器件。

2）MOS管道输入特性为容性特性，所以输入阻抗极高。

4、MOS管的电压极性和符号规则；

图1-4-A是N沟道MOS管的符号，图中D是漏极，S是源极，G是栅极，中间的箭头表示衬底，如果箭头向里表示是N沟道的MOS管，箭头向外表示是P沟道的MOS管。

在实际MOS管生产的过程中衬底在出厂前就和源极连接，所以在符号的规则中；表示衬底的箭头也必须和源极相连接，以区别漏极和源极。

图1-5-A是P沟道MOS管的符号。

MOS管应用电压的极性和我们普通的晶体三极管相同，N沟道的类似NPN晶体三极管，漏极D接正极，源极S接负极，栅极G正电压时导电沟道建立，N沟道MOS管开始工作,如图1-4-B所示。

同样P道的类似PNP晶体三极管，漏极D接负极，源极S接正极，栅极G负电压时，导电沟道建立，P沟道MOS管开始工作,如图1-5-B所示。

图1-4-A

N沟道MOS管符号             图1-4-B

N沟道MOS管电压极性及衬底连接

图1-5-A

P沟道MOS管符号    图1-5-B

P沟道MOS管电压极性及衬底连接

5、MOS管和晶体三极管相比的重要特性；

1）．场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的作用相似，图1-6-A所示是N沟道MOS管和NPN型晶体三极管引脚，图1-6-B所示是P沟道MOS管和PNP型晶体三极管引脚对应图。

图1-6-A

图1-6-B

2）．场效应管是电压控制电流器件，由VGS控制ID，普通的晶体三极管是电流控制电流器件，由IB控制IC。

MOS管道放大系数是（跨导gm）当栅极电压改变一伏时能引起漏极电流变化多少安培。

晶体三极管是电流放大系数（贝塔β）当基极电流改变一毫安时能引起集电极电流变化多少。

3）．场效应管栅极和其它电极是绝缘的，不产生电流；而三极管工作时基极电流IB决定集电极电流IC。

因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高的多。

4）．场效应管只有多数载流子参与导电；三极管有多数载流子和少数载流子两种载流子参与导电，因少数载流子浓度受温度、辐射等因素影响较大，所以场效应管比三极管的温度稳定性好。

5）．场效应管在源极未与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大，而三极管的集电极与发射极互换使用时，其特性差异很大，b值将减小很多。

6）．场效应管的噪声系数很小，在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。

7）．场效应管和普通晶体三极管均可组成各种放大电路和开关电路，但是场效应管制造工艺简单，并且又具有普通晶体三极管不能比拟的优秀特性，在各种电路及应用中正逐步的取代普通晶体三极管，目前的大规模和超大规模集成电路中，已经广泛的采用场效应管。

6、在开关电源电路中；大功率MOS管和大功率晶体三极管相比MOS管的优点；

1）、输入阻抗高，驱动功率小：

由于栅源之间是二氧化硅（SiO2）绝缘层，栅源之间的直流电阻基本上就是SiO2绝缘电阻，一般达100MΩ左右，交流输入阻抗基本上就是输入电容的容抗。

由于输入阻抗高，对激励信号不会产生压降，有电压就可以驱动，所以驱动功率极小（灵敏度高）。

一般的晶体三极管必需有基极电压Vb，再产生基极电流Ib，才能驱动集电极电流的产生。

晶体三极管的驱动是需要功率的（Vb×Ib）。

2）、开关速度快:

MOSFET的开关速度和输入的容性特性的有很大关系，由于输入容性特性的存在，使开关的速度变慢，但是在作为开关运用时，可降低驱动电路内阻，加快开关速度（输入采用了后述的“灌流电路”驱动，加快了容性的充放电的时间）。

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，开关时间在10—100ns之间，工作频率可达100kHz以上，普通的晶体三极管由于少数载流子的存储效应，使开关总有滞后现象，影响开关速度的提高（目前采用MOS管的开关电源其工作频率可以轻易的做到100K/S～150K/S,这对于普通的大功率晶体三极管来说是难以想象的）。

3）、无二次击穿；由于普通的功率晶体三极管具有当温度上升就会导致集电极电流上升（正的温度～电流特性）的现象，而集电极电流的上升又会导致温度进一步的上升，温度进一步的上升，更进一步的导致集电极电流的上升这一恶性循环。

而晶体三极管的耐压VCEO随管温度升高是逐步下降，这就形成了管温继续上升、耐压继续下降最终导致晶体三极管的击穿，这是一种导致电视机开关电源管和行输出管损坏率占95%的破环性的热电击穿现象，也称为二次击穿现象。

MOS管具有和普通晶体三极管相反的温度～电流特性，即当管温度（或环境温度）上升时，沟道电流IDS反而下降。

例如；一只IDS=10A的MOSFET开关管，当VGS控制电压不变时，在250C温度下IDS=3A，当芯片温度升高为1000C时，IDS降低到2A，这种因温度上升而导致沟道电流IDS下降的负温度电流特性，使之不会产生恶性循环而热击穿。

也就是MOS管没有二次击穿现象，可见采用MOS管作为开关管，其开关管的损坏率大幅度的降低，近两年电视机开关电源采用MOS管代替过去的普通晶体三极管后，开关管损坏率大大降低也是一个极好的证明。

4）、MOS管导通后其导通特性呈纯阻性；

普通晶体三极管在饱和导通是，几乎是直通，有一个极低的压降，称为饱和压降，既然有一个压降，那么也就是；普通晶体三极管在饱和导通后等效是一个阻值极小的电阻，但是这个等效的电阻是一个非线性的电阻（电阻上的电压和流过的电流不能符合欧姆定律），而MOS管作为开关管应用，在饱和导通后也存在一个阻值极小的电阻，但是这个电阻等效一个线性电阻，其电阻的阻值和两端的电压降和流过的电流符合欧姆定律的关系，电流大压降就大，电流小压降就小，导通后既然等效是一个线性元件，线性元件就可以并联应用，当这样两个电阻并联在一起，就有一个自动电流平衡的作用，所以MOS管在一个管子功率不够的时候，可以多管并联应用，且不必另外增加平衡措施（非线性器件是不能直接并联应用的）。

MOS管和普通的晶体三极管相比，有以上四项优点，就足以使MOS管在开关运用状态下完全取代普通的晶体三极管。

目前的技术MOS管道VDS能做到1000V，只能作为开关电源的开关管应用，随着制造工艺的不断进步，VDS的不断提高，取代显像管电视机的行输出管也是近期能实现的。

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二、灌流电路

1、MOS管作为开关管应用的特殊驱动电路；灌流电路

MOS管和普通晶体三极管相比，有诸多的优点，但是在作为大功率开关管应用时，由于MOS管具有的容性输入特性，MOS管的输入端，等于是一个小电容器，输入的开关激励信号，实际上是在对这个电容进行反复的充电、放电的过程，在充放电的过程中，使MOS管道导通和关闭产生了滞后，使“开”与“关”的过程变慢，这是开关元件不能允许的（功耗增加，烧坏开关管），如图所示，在图2-1中A方波为输入端的激励波形，电阻R为激励信号内阻，电容C为MOS管输入端等效电容，激励波形A加到输入端是对等效电容C的充放电作用，使输入端实际的电

图2-1

压波形变成B的畸变波形，导致开关管不能正常开关工作而损坏，解决的方法就是，只要R足够的小，甚至没有阻值，激励信号能提供足够的电流，就能使等效电容迅速的充电、放电，这样MOS开关管就能迅速的“开”、“关”，保证了正常工作。

由于激励信号是有内阻的，信号的激励电流也是有限度，我们在作为开关管的MOS管的输入部分，增加一个减少内阻、增加激励电流的“灌流电路”来解决此问题，如图2-2所示。

图2-2

在图2-2中；在作为开关应用的MOS管Q3的栅极S和激励信号之间增加Q1、Q2两只开关管，此两只管均为普通的晶体三极管，两只管接成串联连接，Q1为NPN型Q2为PNP型，基极连接在一起（实际上是一个PNP、NPN互补的射极跟随器），两只管等效是两只在方波激励信号控制下轮流导通的开关，如图2-2-A、图2-2-B

当激励方波信号的正半周来到时；晶体三极管Q1（NPN）导通、Q2（PNP）截止，VCC经过Q1导通对MOS开关管Q3的栅极充电，由于Q1是饱和导通，VCC等效是直接加到MOS管Q3的栅极，瞬间充电电流极大，充电时间极短，保证了MOS开关管Q3的迅速的“开”，如图2-2-A所示（图2-2-A和图2-2-B中的电容C为MOS管栅极S的等效电容）。

当激励方波信号的负半周来到时；晶体三极管Q1（NPN）截止、Q2（PNP）导通，MOS开关管Q3的栅极所充的电荷，经过Q2迅速放电，由于Q2是饱和导通，放电时间极短，保证了MOS开关管Q3的迅速的“关”，如图2-2-B所示。

图2-2-A                                          图2-2-B

由于MOS管在制造工艺上栅极S的引线的电流容量有一定的限度，所以在Q1在饱和导通时VCC对MOS管栅极S的瞬时充电电流巨大，极易损坏MOS管的输入端，为了保护MOS管的安全，在具体的电路中必须采取措施限制瞬时充电的电流值，在栅极充电的电路中串接一个适当的充电限流电阻R，如图2-3-A所示。

充电限流电阻R的阻值的选取；要根据MOS管的输入电容的大小，激励脉冲的频率及灌流电路的VCC（VCC一般为12V）的大小决定一般在数十姆欧到一百欧姆之间。

图2-3-A

                                   图2-3-B

由于充电限流电阻的增加，使在激励方波负半周时Q2导通时放电的速度受到限制（充电时是VCC产生电流，放电时是栅极所充的电压VGS产生电流，VGS远远小于VCC,R的存在大大的降低了放电的速率）使MOS管的开关特性变坏，为了使R阻值在放电时不影响迅速放电的速率，在充电限流电阻R上并联一个形成放电通路的二极管D，图2-3-B所示。

此二极管在放电时导通，在充电时反偏截止。

这样增加了充电限流电阻和放电二极管后，既保证了MOS管的安全，又保证了MOS管，“开”与“关”的迅速动作。

2、另一种灌流电路

灌流电路的另外一种形式，对于某些功率较小的开关电源上采用的MOS管往往采用了图2-4-A的电路方式。

图2-4-A    

                                        图2-4-B

图中D为充电二极管，Q为放电三极管（PNP）。

工作过程是这样，当激励方波正半周时，D导通，对MOS管输入端等效电容充电（此时Q截止），在当激励方波负半周时，D截止，Q导通，MOS管栅极S所充电荷，通过Q放电，MOS管完成“开”与“关”的动作，如图2-4-B所示。

此电路由激励信号直接“灌流”，激励信号源要求内阻较低。

该电路一般应用在功率较小的开关电源上。

3、MOS管开关应用必须设置泄放电阻；

MOS管在开关状态工作时；Q1、Q2是轮流导通，MOS管栅极是在反复充电、放电的状态，如果在此时关闭电源，MOS管的栅极就有两种状态；一个状态是；放电状态，栅极等效电容没有电荷存储，一个状态是；充电状态，栅极等效电容正好处于电荷充满状态，图2-5-A所示。

虽然电源切断，此时Q1、Q2也都处于断开状态，电荷没有释放的回路，MOS管栅极的电场仍然存在（能保持很长时间）