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電路符號(hào)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電路符號(hào)如圖所示。其中結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)中，豎直線表示能導(dǎo)電的溝道，豎直線頂部的一條直角線表示漏極d,豎直線底部的一條直角線表示源極s,豎直線左面帶箭頭的直線表示柵極g。同普通晶體三極管一樣，箭頭指向表示從p型指向n型材料，從箭頭指向就可以知道是哪種溝道的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。很顯然，圖形符號(hào)中箭頭指向“溝道”,表示是n型溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管；箭頭背離“溝道”,表示是p型溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。由于結(jié)型管的源極s和漏極d在制造工藝上是對(duì)稱的，所以圖形符號(hào)畫法也很對(duì)稱，表示在實(shí)際應(yīng)用中這兩個(gè)電極可以對(duì)換使用。在絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的圖形符號(hào)中，柵極g都不帶箭頭，不與“溝道”豎直線接觸，表示管中柵極g與漏極d、源極s是絕緣的，以區(qū)別于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管。將表示溝道結(jié)型的“箭頭”改畫在“溝道”中間表示“襯底”的水平線上，即箭頭指向“溝道”,表示是n型溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管；箭頭背離“溝道”,表示是p型溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。另外，箭頭線畫得短，表示襯底無引出線；箭頭線畫得稍長，表示襯底有引出線；箭頭線與源極s相連，表示襯底在管子內(nèi)部已經(jīng)與源極連接。對(duì)于增強(qiáng)型的管子，還將“溝道”線畫成3截，表示在零柵壓下這種管子是沒有導(dǎo)電溝道的，以區(qū)別于耗盡型mos管和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管�？梢姡�掌握了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的這些圖形符號(hào)，就等于掌握了場(chǎng)效應(yīng)晶體管的種類，這對(duì)分析電路和正確運(yùn)用場(chǎng)效應(yīng)晶體管都很重要。

圖場(chǎng)效應(yīng)晶體管的符號(hào)

跟普通晶體三極管一樣，以前場(chǎng)效應(yīng)晶體管的舊圖形符號(hào)均用圓圈表示外殼，現(xiàn)已廢棄不再畫出圓圈。不過我們翻閱以前的電路圖或圖書時(shí)，會(huì)看到帶有圓圈的場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖形符號(hào)。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管的文字符號(hào)與普通晶體三極管的文字符號(hào)相同，常用vt(舊符號(hào)為bg)或v表示，在電路圖中常寫在圖形符號(hào)旁邊。若電路圖中有多只同類元器件時(shí)，按常規(guī)就在文字后面或右下角標(biāo)上數(shù)字，以示區(qū)別，如vt1、vt2……文字符號(hào)的下邊，一般標(biāo)出場(chǎng)效應(yīng)晶體管的型號(hào)。

引腳識(shí)別

圖給出了國產(chǎn)小功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管各引腳的排列位序。對(duì)于圖(a)所示的金屬管帽封裝的三引腳圓柱狀場(chǎng)效應(yīng)管，其管帽下有一個(gè)小凸口，把引腳對(duì)著自己，從凸口開始沿順時(shí)針方向數(shù)，如果是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，依次為源極s、漏極d和柵極g;如果是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，則依次為d、g和s腳。對(duì)于塑料封裝的半圓柱狀結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，其3個(gè)引線腳呈“一字形”排列，面對(duì)標(biāo)有型號(hào)的一面，從左到右依次為s、d、g腳。對(duì)于圖(b)所示的金屬管帽封裝的四引腳絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，其增加的第4引腳有兩種可能：如果是普通增強(qiáng)型mos場(chǎng)效應(yīng)管，則該腳為“襯底”引腳；如果是雙柵mos管，則該腳為第二柵極引腳。

圖常用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的引腳識(shí)別

對(duì)于有4個(gè)引腳的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其增加的第4腳一般是屏蔽極(使用中接地)。對(duì)于大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，將管子有字面朝自己，引腳朝下，從左至右其引腳排列順序基本上都是“g、d、s”,并且散熱片接通d極。當(dāng)遇到型號(hào)、封裝和引腳排列不熟悉的場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，就要查閱有關(guān)資料或用萬用表檢測(cè)辨認(rèn)后再接入電路。

型號(hào)命名

國產(chǎn)小功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的型號(hào)一般由4個(gè)部分組成，如圖所示。第1部分是數(shù)字“3”或“4”,分別表示有3個(gè)電極或4個(gè)電極(雙柵極場(chǎng)效應(yīng)管);第2部分是字母“d”或“c”,分別表示n型溝道或p型溝道；第3部分是字母“j”或“o”,分別表示是結(jié)型管還是絕緣柵型管；第4部分是阿拉伯?dāng)?shù)字(多后綴參數(shù)分擋字母a～j),表示器件序號(hào)和某些特性參數(shù)的分類等。例如：3dj6f表示n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，3c01表示p溝道絕緣柵(增強(qiáng)型)場(chǎng)效應(yīng)管，4d01a表示n溝道絕緣柵(耗盡型)雙柵場(chǎng)效應(yīng)管。還有些絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，生產(chǎn)廠家在型號(hào)后面加有字母“b”(如3d01d-b),表示管內(nèi)對(duì)柵極加了保護(hù)措施。功率型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的型號(hào)命名多借用國外型號(hào)命名法，還有些是生產(chǎn)廠家自己命名的。部分國產(chǎn)小功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的型號(hào)和主要參數(shù)見表。

圖場(chǎng)效應(yīng)晶體管的型號(hào)標(biāo)注實(shí)例

國外生產(chǎn)的常見場(chǎng)效應(yīng)晶體管型號(hào)有2sk11、3n128、bfw11、mfe3004、irfd120、bs170……其型號(hào)命名規(guī)則與同類晶體三極管一致，這里不再詳細(xì)介紹。

表 部分國產(chǎn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的型號(hào)和主要參數(shù)

主要參數(shù)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管的參數(shù)很多，包括直流參數(shù)、交流參數(shù)和極限參數(shù)，但一般使用時(shí)只需要關(guān)注以下幾項(xiàng)主要參數(shù)。

①夾斷電壓(up)。這是指在規(guī)定的漏極電壓us下，使漏極電流/。(即溝道電流)為零或者小于某一小電流值(例如1μa、10μa)時(shí)，加在柵極上的電壓ucs,它是結(jié)型或耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的重要參數(shù)。

②開啟電壓(ur)。這是指當(dāng)漏極電壓us為某一規(guī)定值時(shí)，使導(dǎo)電溝道(即漏、源極之間)剛開始導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓ucs,它是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的重要參數(shù)。當(dāng)柵極電壓uos小于開啟電壓up的絕對(duì)值時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管不能導(dǎo)通。

③飽和漏電流(1oss)。這是指當(dāng)柵、源極短路(uss=0)時(shí)，一定的漏極電壓us(大于夾斷電壓)所引起的漏極電流/%。飽和漏電流反映了零柵壓時(shí)原始溝道的導(dǎo)電能力，是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的重要參數(shù)。

④低頻跨導(dǎo)(gm)。在漏極電壓uos為規(guī)定值時(shí)，漏極電流變化量△1。與引起這個(gè)變化的柵壓變化量△ucs的比值，叫跨導(dǎo)(或互導(dǎo)),即gm=△/△uos。gm的常用單位是ms(毫西門子)。gm是衡量場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極電壓對(duì)漏極電流控制能力強(qiáng)弱的一個(gè)參數(shù)，也是衡量放大作用的重要參數(shù)，與晶體三極管的交流電流放大系數(shù)β相似。gm與管子的工作區(qū)域有關(guān)，漏極電流/,越大，管子的跨導(dǎo)gm也越大。

⑤漏源擊穿電壓(buos)。這是指柵極電壓uas一定時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管正常工作所能承受的最大漏極電壓，它相當(dāng)于普通晶體三極管的集電極一發(fā)射極擊穿電壓vericoo(即buceo)。這是一項(xiàng)極限參數(shù)，使用時(shí)加在場(chǎng)效應(yīng)晶體管上的工作電壓必須小于buos。

⑥最大漏源電流(/osm)。這是指場(chǎng)效應(yīng)晶體管正常工作時(shí)，漏、源極之間所允許通過的最大電流，它相當(dāng)于普通晶體三極管的/cm。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工作電流不應(yīng)超過這一極限參數(shù)。

⑦最大耗散功率(ppsm)。這是指場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能不變壞時(shí)，所允許的最大漏極耗散功率，它相當(dāng)于普通三極管的pcx。使用時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)際功耗(pp=uos×1o)應(yīng)小于這一極限參數(shù)，并留有一定余量。

結(jié)構(gòu)及特性

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管或絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，不同溝道的管子，其工作方式是一樣的，它們內(nèi)部的區(qū)別在于制造時(shí)所選用的硅材料類型正好相反，而外部的區(qū)別在于管子的工作電壓極性正好相反，這如同雙極型三極管有pnp型和npn型一樣。下面以n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管為例，簡單介紹它們的結(jié)構(gòu)和基本特性。

n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(jfet)的結(jié)構(gòu)如圖虛線框內(nèi)所示，它是在n型硅材料的兩端引出漏極d和源極s兩個(gè)電極，又在硅材料的兩側(cè)各附一小片p型材料，在內(nèi)部用導(dǎo)線把兩個(gè)p區(qū)連接在一起，并引出一個(gè)電極稱為柵極g。這樣，在n型硅材料和柵極g的交界處就形成了兩個(gè)pn結(jié)，因其中的載流子已經(jīng)耗盡，故這兩個(gè)pn結(jié)基本上是不導(dǎo)電的，形成了所謂的耗盡層；而夾在耗盡層中間的n型硅材料，由于呈現(xiàn)一定的電阻，且能夠?qū)щ姡�被形象地稱為“溝道”。如果按圖所示在漏極d、源極s之間加上正向電壓uos,就會(huì)有漏極電流/o從漏極d通過溝道流向源極s,且隨著電壓uos的增加而增大。當(dāng)給柵極g加上負(fù)柵壓uss時(shí)，就相當(dāng)于給pn結(jié)加上了反向電壓，從而使得兩個(gè)耗盡層變厚，溝道變窄，溝道電阻加大，漏極電流/,減小。當(dāng)負(fù)柵壓繼續(xù)增加時(shí)，耗盡層就會(huì)越來越厚，甚至使兩邊耗盡層在溝道中間相合，導(dǎo)電溝道消失，漏極電流/=0,這種現(xiàn)象稱為夾斷，這時(shí)所加的柵極電壓就叫夾斷電壓up�？梢�，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管是利用導(dǎo)電溝道之間耗盡層的大小來控制漏極電流的，與普通晶體管的最大不同之處在于：它在工作時(shí)，柵、源極之間存在的pn結(jié)被反向偏置，因而輸入電阻極大，一般在107ω以上，這使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管成為電壓控制器件，即漏極電流/.受控于柵極電壓ucs;而普通晶體三極管卻是由一個(gè)反偏的集電結(jié)和一個(gè)正偏的發(fā)射結(jié)結(jié)合而成的，是電流控制器件，即在一定條件下，集電極電流/。受控于基極電流/o。

圖n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作示意圖

n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(jgfet)的結(jié)構(gòu)如圖所示。用一塊雜質(zhì)濃度比較低的p型薄硅片作為襯底，在它上面擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的n型區(qū)(n+區(qū)),分別作為源極s和漏極d。在硅片表面覆蓋一層絕緣物，然后再用金屬鋁引出一個(gè)電極作為柵極g。由于柵極g與其他電極之間隔著二氧化硅絕緣層，所以絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管因此得名。在制造管子時(shí)，通過工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)(p型硅)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把兩個(gè)n+區(qū)接通，就形成了導(dǎo)電溝道(增強(qiáng)型管在柵極g加上一定電壓后才會(huì)形成),即使在柵極電壓uos=0時(shí)，也會(huì)有較大的漏極電流/o。當(dāng)柵極電壓uss改變時(shí)，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄隨之而變，因而使漏極電流/。隨著柵極電壓的變化而變化。由此可見，絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是利用絕緣柵在外加電壓下所產(chǎn)生的感應(yīng)電荷來控制導(dǎo)電溝道的寬窄，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)漏極電流/,的控制，這和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是不同的，它的輸入電阻更是高達(dá)109ω以上。

圖 n溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作示意圖

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管有增強(qiáng)型和耗盡型之分。當(dāng)柵極g和源極s之間的電壓ucs=0時(shí)，漏、源極之間就存在導(dǎo)電溝道，并能形成較大漏極電流的，稱為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管；如果必須在|ussl>0的情況下才存在導(dǎo)電溝道，才會(huì)形成漏極電流的，則稱為增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。對(duì)于耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管來說，只要漏極d與源極s上加上電壓，即使柵極電壓ucs為零，在溝道中也會(huì)有漏極電流/。產(chǎn)生。如果在柵極上加正電壓，導(dǎo)電溝道就會(huì)變寬，漏極電流o會(huì)增大；反之，如果在柵極上加負(fù)電壓，導(dǎo)電溝道就會(huì)變窄，漏極電流便會(huì)減小。這跟n溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管基本相同，不同之處在于結(jié)型管僅能夠加負(fù)柵壓(p溝道結(jié)型管僅能夠加正柵壓)。對(duì)于增強(qiáng)型的管子，當(dāng)柵極電壓ucs為零時(shí)，即使在漏極d和源極s之間還加著正向電壓uos,溝道中也不會(huì)有電流通過。如果給柵極g加上正電壓，情況就會(huì)發(fā)生變化，溝道中就會(huì)有電流流過。一般使管子導(dǎo)通并開始產(chǎn)生漏極電流/,時(shí)的柵、源極間電壓uas,就叫開啟電壓ut。

外形和種類

常見場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)物外形如圖所示。由圖可見，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的外形與普通三極管別無兩樣，其封裝形式主要有金屬殼封裝和塑料封裝兩大類，引腳一般有3根，特殊的有4根(雙柵極場(chǎng)效應(yīng)管)和6根(一個(gè)管殼內(nèi)封裝兩只場(chǎng)效應(yīng)管)。

圖場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)物外形圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)和制造工藝，場(chǎng)效應(yīng)晶體管可分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(jfet)和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(jgfet)兩大類。如果按導(dǎo)電溝道(即電流通路)材料的不同劃分，結(jié)型和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管各有n溝道和p溝道兩種。按工作方式劃分，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管均為耗盡型(柵偏壓為零時(shí)已存在溝道),而絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管既有耗盡型，也有增強(qiáng)型(柵偏壓達(dá)到一定值時(shí)才會(huì)出現(xiàn)溝道)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一般分類如下。

目前，在絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，應(yīng)用最為廣泛的是“mos場(chǎng)效應(yīng)晶體管”(即：金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管),它是由金屬、氧化物和半導(dǎo)體所組成的，簡稱“mos管”。常用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中還有雙柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(igbt),以及用途廣泛的各種類型的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。

性能優(yōu)良的場(chǎng)效應(yīng)晶體管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管(英文縮寫fet)簡稱場(chǎng)效應(yīng)管，顧名思義，它是利用電場(chǎng)的效應(yīng)來控制電流的。場(chǎng)效應(yīng)晶體管是在普通晶體三極管制造工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的新一代放大器件，它有3個(gè)電極——柵極、漏極和源極，其特點(diǎn)是柵極的內(nèi)阻極高，采用二氧化硅材料的可達(dá)到上千兆歐，通過柵極電壓可控制漏極電流，屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。由于晶體三極管內(nèi)部參加導(dǎo)電的載流子為空穴和電子兩種，所以晶體三極管又稱為雙極型晶體管。而場(chǎng)效應(yīng)晶體管內(nèi)部參加導(dǎo)電的載流子只有空穴或只有電子一種，因此場(chǎng)效應(yīng)晶體管又稱為單極型晶體管。

場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有輸入電阻高(10～1000mω)、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)�、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，其一些特性與電子管相似，現(xiàn)已成為雙極型晶體管(尤其是功率晶體管)的強(qiáng)大競(jìng)爭者。