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1、场效应管选型要点

      场效应管的选型要关注以下特性：
      a.耐压，温度范围，元件封装形式与尺寸；
      b.场效应管的放大能力；
      c.场效应管寿命；
      d.实际需要、性能和成本等综合考量。

2、 场效应管的特点
2.1场效应管的型号命名
      有两种命名方法。 
　　第一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P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。
2.2 基本结构和原理
      场效应管工作原理用一句话说，就是“漏极-源极间流经沟道的ID，用以门极与沟道间的PN结形成的反偏的门极电压控制ID”。更正确地说，ID流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由PN结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流ID流动。从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。 
在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS(off)，此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。场效应管的分类如下图：

                  

按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分N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。
2.2.1 结型场效应管
     在一块N型硅棒的两侧，利用合金法、扩散法或其他工艺做成掺杂程度比较高的P型区(用符号P+表示)，则在P+型区和N型区的交界处将形成一个PN结，或称耗尽层。将两侧的P+型区连接在一起，引出一个电极，称为栅极(G)，再在N型硅棒的一端引出源极(S)，另一端引出漏极(D)，见下图左。如果在漏极和源极之间加上一个正向电压，即漏极接电源正端，源极接电源负端，则因为N型半导体中存在多数载流子电子，因而可以导电。这外场效应管的导电沟道是N型的，所以称为N沟道结型场效应管，其电路符号见下图右。注意电路符号中，栅极上的箭头指向内部，即由 区指向N区。N沟道结型场效应管的结构和符号见下图：

                               

另—种结型场效应管的导电沟道是P型的，即在P型硅棒的两侧做成高掺杂的N型区(用符号N+ 表示)，并连在一起引出栅极，然后从P型硅棒的两端分别引出源极和漏极，见下图左。这就是P沟道结型场效应管，其电路符号见下图右所示。此处栅极上的箭头指向外侧，即由P区指向N+ 区。 P沟道结型场效应管的结构和符号见下图：

                                         

2.2.2 绝缘栅型场效应管
      缘栅型场效应管又分为增强型和耗尽型两种，我们称在正常情况下导通的为耗尽型场效应管，在正常情况下断开的称增强型效应管。增强型场效应管特点：当Vgs = 0时Id(漏极电流) = 0，只有当Vgs增加到某一个值时才开始导通，有漏极电流产生。并称开始出现漏极电流时的栅源电压Vgs为开启电压。 　　
耗尽型场效应管的特点，它可以在正或负的栅源电压(正或负偏压)下工作，而且栅极上基本无栅流(非常高的输入电阻)。
      结型栅场效应管应用的电路可以使用绝缘栅型场效应管，但绝缘栅增强型场效管应用的电路不能用结型栅场效应管代替。   
      我们以增强型MOS场效应管为主，增强型MOS场效应管的结构示意图见图3。用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，在其表面上覆盖一层二氧化硅(SiO2)的绝缘层，再在二氧化硅层上刻出两个窗口，通过扩散形成两个高掺杂的N区(用N+表示)，分别引出源极S和漏极D，然后在源极和漏极之间的二氧化硅上面引出栅极G，栅极与其他电极之间是绝缘的。衬底也引出一根引线，用B表示，通常情况下将它与源极在管子内部连接在一起。由图可见，这种场效应管由金属、氧化物和半导体组成。

      对于增强型MOS场效应管，只有当U_GS>U_r时，漏极和源极之间才存在导电沟道。耗尽型的MOS场效应管则不然，由于在制造过程中预先在二氧化硅的绝缘层中掺入了大量的正离子，因此，即使U_GS=0，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够多的负电荷，形成“反型层”，从而产生N型的导电沟道。下图所示为增强型MOS场效应管：
                                       

 下图所示为耗尽型MOS管：

                                   

2.3   场效应管的特点
       场效应管的结构和原理决定了其有以下特点：
（1）场效应管是电压控制器件，它通过UGS来控制ID； 
（2）场效应管的输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。 
（3）它是利用多数载流子导电，因此它的温度稳定性较好； 
（4）它组成的放大电路的电压放大系数要小于三极管组成放大电路的电压放大系数； 
（5）场效应管的抗辐射能力强； 
（6）信号放大稳定性好，信号失真小；
（7）由于不存在杂乱运动的少子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
2.4 主要参数及其特点   
      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:

直流参数
2.4.1 饱和漏源电流— I DSS
      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。这是耗尽型场效应管的一个重要参数。它的定义是当栅源之间的电压UGS等于零，而漏源之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。
2.4.2 夹断电压—UGS(off)
      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。UP也是耗尽型场效应管的—个重要参数。其定义是当UDS一定时，使ID减小到某一微小电流时所需的UGS值。
2.4.3 开启电压—UGS(th)
      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。UGS(th)是增强型场效应管的一个重要参数。它的定义是当UDS一定时，使漏极电流达到某一数值时所需加的UGS值。
2.4.4 直流输入电阻RGS 
      即栅源之间所加的电压与产生的栅极电流之比。由于场效应管的栅极几乎不取电流，因此其输入电阻很高。结型场效应管的RGS一般在107Ω以上，绝缘栅场效应管的输入电阻更高，一般大于109Ω。

交流参数
2.4.5 低频跨导—gm
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。
用以描述栅源之间的电压UGS对漏极电流ID的控制作用。它的定义是当UDS一定时，ID与UGS的变化量之比，如下：

                
若I_D的单位是毫安(mA)，U_GS的单位是伏(V)，则g_m的单位是毫西门子(mS)。

2.4.6 极间电容  
     这是场效应管三个电极之间的等效电容，包括CGS、CGD、CDS。极间电容愈小，则管子的高频性能愈好。一般为几个皮法。
极限参数
2.4.7 漏极最大允许耗散功率PDM
      场效应管的漏极耗散功率等于漏极电流与漏源之间电压的乘积，即PD=IDUDS。这部分功率将转化为热能，使管子的温度升高。漏极最大允许耗散功率决定于场效应管允许的温升。
2.4.8 漏源击穿电压U(BR)DS
     这是在场效应管的漏极特性曲线上，当漏极电流ID急剧上升产生雪崩击穿时的UDS。工作时外加在漏源之间的电压不得越过此值。
2.4.9 栅源击穿电压U(BR)GS
     结型场效应管正常工作时，栅源之间的PN结处于反向偏置状态，若UGS过高，PN结将被击穿。MOS场效应管的栅极与沟道之间有一层很薄的二氧化硅绝缘层，当UGS过高时，可能将二氧化硅绝缘层击穿，使栅极与衬底发生短路。这种击穿不同于一般的PN结击穿，而与电容器击穿的情况类似，属于破坏性击穿。栅源间发生击穿，MOS管即被破坏。
2.4.10 使用温度范围
     即场效应管能够稳定工作的温度范围，目前常见的低温极限值大致有-55℃，-40℃，-25℃几种，高温极限值大致有85℃，105℃,125℃，130℃等几种。
2.4.11 使用寿命
     使用寿命（也定义为服务寿命及操作寿命）定义为场效应管不超过指定失效率的可以达到的寿命。使用寿命是应用使用经验以及加速老化试验来得到的。如果负载低于额定值，使用寿命可以得到延长（比如低的工作电压，电流及环境温度），适当的散热措施也可以延长使用寿命。
2.4.12 其他
   除了上述的电性参数外，场效应管还有存储温度、气候条件、温湿循环、引线强度、可焊性等可靠性项目。
2.4.13 常用的场效应管
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（最高可达1015Ω）。它也分N沟道管和P沟道管，符号如图所示。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。图中符号中的前头方向是从外向电，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。

金属-氧化物-半导体型场效应管如下图：

                

      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）。
      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。
VMOS场效应管
      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之后新发展起来的高效、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（最高可耐压1200V）、工作电流大（1.5A～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。     众所周知，传统的MOS场效应管的栅极、源极和漏极大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，从图上可以看出其两大结构特点:第一，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，最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。

2.5 场效应管的特性曲线

漏极输出特性曲线：

                

N沟道结型场效应管的转移特性曲线和漏极特性曲线：

                

从转移特性上还可以得到场效应管的两个重要参数。转移特性与横坐标轴交点处的电压，表示I_D=0时的U_GS，所以即是夹断电压U_P。此外，转移特性与纵坐标轴交点处的电流，表水U_GS=0时的漏极电流，称为饱和漏极电流，用符号I_DSS表示。

N沟道结型场效应管的漏极特性曲线可以看出，它们与双极型三极管的共射输出特性曲线很相似。但二者之间有一个重要区别，即场效应管的漏极特性以栅源之间的电压U_GS作为参变量，而双极型三极管输出特性曲线的参变量是基极电流IB。

N沟道耗尽层MOS场效应管的特性曲线：

N沟道耗尽型MOS场效应管的转移特性和漏极特性可见，当UGS>0时，ID增大；当UGS<0时，ID减小。                            

     N沟道耗尽型MOS场效应管的转移特性和漏极特性可见，当UGS>0时，ID增大；当UGS<0时，ID减小。

N沟道增强型MOS场效应管的转移特性和漏极特性：

                      

     N沟道增强型MOS场效应管的转移特性可见，当UGS

温度特性：

      以场效应管NTD4863N为例说明 场效应管的温度和其他因素的特性曲线。              

栅极到源极随温度电压变化的传输特性：

               

最大雪崩能量和起始连接处起始温度的线性关系：

                         

 容量特性
场效应管的容量随着测试电压的升高而降低。

                     

极间电压电流特性

      场效应管的漏极到源极的特性随着电压的的升高电流升高。