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2023-06-20
场效应晶体管的工作原理和应用
【摘要】：场效应晶体管分为结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管。场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种。为使场效应晶体管导通，在它承受正向漏极电压的同时，必须对栅极G施加正电压。IDM表征了功率场效应晶体管的电流容量。
场效应晶体管分为结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管。功率场效应晶体管是绝缘栅型场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称MOSFET），是一种电压控制的单极型功率半导体器件。
在电子控制型弧焊电源中，功率MOSFET管通常作为开关器件。由于其功率比较小，往往采用多只MOSFET管并联使用。
1.场效应晶体管的结构
场效应晶体管的外形基本有三种：金属壳封装、塑料封装和模块。场效应晶体管也有三个电极：漏极D、源极S、栅极G（见图3-41a）。
场效应晶体管分为N沟道和P沟道两种。N沟道MOSFET的导通电流从漏极D流向源极S；而P沟道MOSFET的导通电流从源极S流向漏极D。相应的电气图形符号见图3-41b、c。图中，反并联的二极管是指MOSFET结构中的寄生二极管或集成的可续流二极管。需要注意的是，由于该二极管的反向恢复时间一般比较长，因此不宜作快速续流二极管。
图3-41 场效应晶体管结构及工作原理
a）N沟道场效应晶体管内部结构 b）N沟道场效应晶体管符号 c）P沟道场效应晶体管符号 d）场效应晶体管工作原理
2.场效应晶体管的工作原理
场效应晶体管在工作过程中，它的漏极D和源极S分别与电源（UC）和负载（RL）连接，组成场效应晶体管主电路；它的栅极G和源极S与控制场效应晶体管的驱动电路相连接，组成控制电路，如图3-41d所示。为使场效应晶体管导通，在它承受正向漏极电压的同时，必须对栅极G施加正电压。场效应晶体管的栅极为绝缘结构，输入阻抗达108～1013Ω，可以用电压驱动，驱动功率很小。
3.场效应晶体管的基本特性
MOSFET的基本特性包括静特性和动特性两部分。静特性包括转移特性和输出特性；动特性主要是指开关特性。
（1）转移特性 因为MOSFET是电压控制型器件，所以它的转移特性是指漏极电流ID与栅源电压UGS之间的关系，如图3-42所示。
图中特性曲线的斜率ΔID/ΔUGS表示MOSFET的放大能力，将其定义为跨导gm，即gm=ΔID/ΔUGS。
UGS（Th）为MOSFET的开启电压，有时直接用UG表示。
（2）输出特性 在栅源电压UGS变化的条件下，漏极电流ID与漏源电压UDS关系曲线族称为MOSFET的输出特性曲线，如图3-43所示。
由图3-43可见，MOSFET的输出特性曲线分为四个区：可变电阻区Ⅰ、线性区Ⅱ、阻断区Ⅲ和击穿区Ⅳ。
1）在可变电阻区Ⅰ漏极电流ID与漏源电压UDS呈线性关系。这个线性关系随UGS的变化而变化，所以称为可变电阻区；而ID又不随UGS的变化而线性增加，所以这个区也称为MOSFET的饱和压降特性。
MOSFET的通态压降UDSSat与ID有关，通态压降比较高。
2）线性区Ⅱ因漏极电流ID与栅源电压UGS呈线性关系而得名，有时也叫线性放大区。在这个区，UGS不变时，加大UDS，ID几乎不变，即ID饱和，所以这个区也叫输出饱和区。MOSFET工作在这个区时，其管芯耗散功率IDUDS会比较大。
3）在阻断区ⅢUGS＜UGS（Th），ID很小，只有漏电流，这时MOSFET处于阻断状态，这个区也叫作截止区。
4）在击穿区Ⅳ，不论UGS有多大，当UDS加大到一定程度时，源漏之间的寄生PN结就会发生雪崩击穿，电流ID快速增加，使器件被烧坏。
图3-42 场效应晶体管的转移特性
图3-43 场效应晶体管的输出特性
（3）开关特性在现代弧焊电源中，MOSFET多用于逆变开关电路中，因此MOSFET一般都工作在开通或关断状态，即开关状态。MOSFET的开关特性是揭示开关过程中，ID和UDS随UGS的变化关系。MOSFET的开关特性可以参考相关的教科书。
4.场效应晶体管的基本参数
MOSFET的基本参数主要包括漏源耐压、额定通态电流、通态电阻、放大性能参数、开关特性参数和栅极参数等。
（1）漏源击穿电压BUDS和耐压UDSS MOSFET将发生雪崩击穿时的UDS临界电压称为漏源击穿电压，用BUDS表示。一般地，取BUDS的80%～90%定义为MOSFET的断态重复峰值电压，或者称为额定电压，也就是MOSFET的耐压，用UDSS表示。
UDSS随温度的变化而变化，当结温升高时，其耐压具有正的温度系数，也升高。大约结温Tj每升高10℃，BUDS将增加1%左右，这个特性与双极型器件（如GTR）正好相反。
MOSFET的BUDS和UDSS与栅极的工作状态有很大关系，BUDS和UDSS指的是UGS=0时的值。在实际应用电路中，在GS之间并联电阻和加反向电压，都能提高MOSFET的耐压能力。
（2）额定漏极电流ID和最大峰值电流IDM 额定漏极电流ID是由管芯的发热量、管芯到管壳以及管壳到散热器之间的热阻决定的，是MOSFET能通过的最大有效值电流。
最大峰值电流IDM是指MOSFET能通过的脉冲电流的最高幅值。它实际上是由MOSFET的安全工作区决定的。IDM表征了功率场效应晶体管的电流容量。
（3）通态电阻Ron MOSFET的通态电阻Ron是指在确定的栅压UGS下，MOSFET由可变电阻区进入线性区（饱和压降区）时的直流电阻。
MOSFET的Ron具有正的温度系数。当温度升高时，Ron会明显增大，限制iDS的上升。这种特性具有以下两个优点：
1）克服了功率晶体管（GTR）的二次击穿问题，可取代GTR。
2）具有良好的可并联性，不用另外采取均流措施。
（4）开启电压UGS（Th）（或UG）和栅极击穿电压BUGS MOSFET的开启电压UGS（Th）（或UG）有时又叫阈值电压，一般为2～5V。产品手册中都给出这个参数的具体值。在实用电路中，要使MOSFET导通时，加在GS之间的电压UGS必须大于UGS（Th）。
由于MOSFET的绝缘栅很薄（为了减小栅电容，加快开关速度），因而能承受的最高电压有限。当UGS大到一定值时，栅极将被击穿，这个临界击穿电压用BUGS表示。一般情况下，BUGS稍大于20V。
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