場效應(yīng)管的工作原理及應(yīng)用

場效應(yīng)管的工作原理及應(yīng)用
    場效應(yīng)管（用FET表示）與晶體管的控制機理不同，它是利用輸入電壓去控制輸出電流的一種半導(dǎo)體器件。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理不同分為絕緣柵型（又稱MOS管或MOS－FET）場效應(yīng)管和結(jié)型（JFET）場效應(yīng)管兩大類型。與晶體管相比，它具有輸入電阻高，制造工藝簡單，特別適合大規(guī)模集成等諸多優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
    1.FET的工作原理和放大作用
    為了說明FET的工作原理和放大作用，我們先從一個簡單而實用的亮度調(diào)整電路談起。
圖1是一個用MOSFET構(gòu)成的亮度調(diào)整由路。

    由圖1可見。如果我們旋動調(diào)節(jié)旋鈕（調(diào)節(jié)圖中RW電位器）就可以改變MOSFET的輸入電壓VGS，實現(xiàn)控制燈泡電流、改變燈光亮度的目的。電阻R1和R2的阻值決定了控制電壓的范圍，R1主要決定輸入控制電壓VGS的 大值，R2主要決定輸入控制電壓VGS的起始值。由于R1和R2的值可取得很大，因此可減少控制回路的電流，節(jié)省電能。并聯(lián)在輸入端的穩(wěn)壓二極管D2用來限制輸入控制電壓VGS，使 VGS不超過1OV，以保護(hù) MOSFET。那么 MOSFET是如何實現(xiàn)用輸入電壓VGS去控制輸出電流ID的呢？又為什么電路中的 R1和 R2可選得很大呢？這正是由MOSFET的控制機理和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。MOSFET有N溝道和P溝道兩種類型，每種類型又分為增強型和耗盡型，即N為道增強型、N溝還耗盡型、P溝道增強型和P為道耗盡型四種MOS管，我們在圖1光度調(diào)整電路中所采用的MOS管為N溝道增強型MOSFET。它的結(jié)構(gòu)及符號如圖2（a）、（b）所示。它是在一塊P型硅片上擴散兩個相距很近的高摻雜N型區(qū)（用N＋表示），并分別從兩個N型區(qū)上引出兩個電極，分別稱為源極（用S表示）和漏極（用D表示），在源區(qū)和漏區(qū)之間的襯底表面覆蓋一層很薄的絕緣層，再在這絕緣層上覆蓋一層金屬薄層，形成柵極（用G表示），因此，柵極與其它兩電極之間是絕緣的，故輸入電阻極高。另外，從襯底基片上引出一個電極，稱為襯底電極（用B表示），在分立元件中，常將B與源極S相連，而在集成電路中，B和S一般是不相連的、由圖2（a）可見，增強型MOSFET的漏區(qū)和源區(qū)之間被P型襯底隔開，好像兩個“背對背’連接的二極管。所以，當(dāng)不加?xùn)艠O電壓（即VGS＝0）時，不論漏極、源極之間加什么極性的電壓。總有一個PN結(jié)處于反偏，在忽略反向飽和電流的情況下。漏極電流ID≈0。此時，可近似地認(rèn)為MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)柵極和源極間加正向電壓（即VGS＞0）時，同時將襯底與源極短接，則在柵極金屬板與半導(dǎo)體之間的絕緣層產(chǎn)生一個垂直電場，這個電場吸引襯底和兩個N＋區(qū)的電子，VGS越大，吸引的自由電子數(shù)越多。表面層空穴數(shù)越少，當(dāng)VGS超過某一臨界值VT（稱為開啟電壓），將 終使表面層的電子數(shù)多于空穴數(shù)，使襯底表面由原來的P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型，且與兩個N＋區(qū)連通，形成漏區(qū)和源區(qū)間的導(dǎo)電溝道（N溝道）。此時，如果在漏極和源極之間加正向電壓（VGS＞0），就會有電流經(jīng)溝道到達(dá)源 極，形成漏極電流ID。MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，如圖3所示。
    很顯然。VGS越大，導(dǎo)電溝道越寬，溝道電阻越小，ID越大，這就是增強型MOSFET  VGS控制漏極電流ID的物理過程。前述的燈光亮度調(diào)整電路正是利用了N溝道增強型MOS－FET的這一工作原理，實現(xiàn)燈光亮度線也可調(diào)的。即增大R2’（＝R2＋kRw），可增大VGS電壓，從而使ID增加，使燈泡亮度增加。相反，調(diào)小R2’，使VGS電壓減少，ID減小，使燈泡亮度減小。也正是由于MOSFET是一種電壓控制器件，即控制量是電壓而不是電流，才可以將R1和R2的值選得很大，從而使控制回路電流減小，達(dá)到節(jié)省電能的目的。
實際上，N溝道耗盡型MOSFET在結(jié)構(gòu)上與N溝道增強型MOSFET很相似，結(jié)構(gòu)和符號如圖4（a）（b）所示。耗盡型MOSFET和增強型MOSFET的區(qū)別僅在于：在棚極不加電壓（VGS＝0）時，耗盡型MOSFET的漏極和源極間已有導(dǎo)電溝道存在，這溝道在制造管子時就已經(jīng)在漏、源極之間做成了。因此，若有VGS＞0，就有漏極電流ID，如果加正向柵壓（VGS＞0），溝道將在原有基礎(chǔ)上加寬，使導(dǎo)電能力提高，漏極電流ID增大。反之，如果加一負(fù)向柵壓（VGS＜0＝，則由于負(fù)柵極在溝道中感應(yīng)一定的正電荷，使溝道變窄。溝道電阻增大，導(dǎo)電能力減弱，漏極電流ID減小，所以，負(fù)柵壓起消耗原始溝道的作用。當(dāng)負(fù)向柵壓增大到某一臨界值VGS＝-Vp（Vp稱為夾斷電壓）時，溝道全部消失，使漏極電流ID≈0，管子截止。因此耗盡型MOSFET的VGS通過調(diào)整溝道寬度來實現(xiàn)對漏極電流ID的控制，這與增強型MOSFET的工作原理是相似的，不同點僅在于，耗盡型MOSFET的柵壓對N溝道可工作在VGS≤0或VGS＞0的情況下，而增強型MOSFET的柵壓對N溝道只能工作在VGS＞O的情況下。
2.FET的變阻特性
FET除了前述的放大特性外，它的另一種特性是變阻特性，這種變阻特性是|VDS|較小時所特有的。對N溝道增強型MOSFET來說，當(dāng)VDS較小，即滿足VDS＜＜（VGS－VT）時。VDS對導(dǎo)電溝道的影響可以忽略。當(dāng)柵源電壓VGS一定時，導(dǎo)電溝道的大小基本是一定的，溝道電阻也是一定的，當(dāng)VGS增加時，導(dǎo)電溝道也加寬，使溝道電阻變小。從這個意義上講，F(xiàn)ET像一個受柵壓VGs控制的可變電阻器，在VGS控制下，其阻值可在幾十歐～幾兆歐之間變化。利用FET的這一特點，可用FET作成電壓可控的可調(diào)電阻。實踐中這種例子很多，如我們平時使用的收音機、電視機，實際接收到的電信號由于發(fā)射機功率的不同和傳播條件的不同，各個臺信號強弱不一，其范圍可以從幾十uV～幾百mV。在這種情況下，要使接收機（收音機或電視機等）的輸出電平變化盡可能小，經(jīng)常需對接收機的增益實現(xiàn)自動控制（又稱AGC），做到當(dāng)收到的電臺信號較弱時，使增益自動提高，而收到的電臺信號較強時。又使增益自動降低，以保證我們看到或收到的信號的穩(wěn)定性。利用MOSFET的可變電阻特性，就可以實現(xiàn)這種自動增益控制。圖5就是能完成這種自動控 制的AGC電路。
    圖5中，A1是集成放大器，它的電壓放大倍數(shù)（又稱電壓增益）Av＝R2/R1＋R2（1＋R3/Rw）。顯然，當(dāng)Rw變化時，Av會向相反的方向變化，即Rw增大時，Av減小；Rw減小時，Av增大，這里的可變電阻Rw就是用MOSFET構(gòu)成的。它的控制過程如下：輸出電壓經(jīng)整流、濾波后，變成直流電壓去控制MOSFET的棚極，以便控制場效管的等效電阻Rw（注意VDS較小時FET工作在可變電阻區(qū)，具有變阻特性）。顯然，收到的目標(biāo)信號（即電臺廣播信號）電壓幅度越高，即目標(biāo)信號越強，整流、濾波（在以后講座中介紹）后的直流電壓越高，由耗盡型MOSFET構(gòu)成的可變電阻值越高，即Rw越大，于是電壓增益Av＝R2/R1＋R2（1＋R3/Rw）降低；反之，若接收的目標(biāo)信號較弱。整流、濾波后的直流電壓也較低，經(jīng)A2反相放大后直流電壓|-VGS|也較小；用它去控制耗盡MOSFET的柵極，使Rw減小，于是電壓增益Av增大，從而實現(xiàn)了電壓放大倍數(shù)（電壓增益）的自動控制。
    3.FET的開關(guān)特性
    在討論M0SFET的工作原理時已經(jīng)知道，對N溝道增強型MOSFET，當(dāng)VGS小于開啟電壓VT，即VGS＜VT時，管子處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)VGS大于開啟電壓 VT，即VGS＞VT時，管子處于導(dǎo)通狀態(tài)。對N溝道耗盡型MOSFET，當(dāng)|-VGS|＞|-Vp|時，管子截止；|-VGS|＜|-Vp|時，管子導(dǎo)通，因此，F(xiàn)ET的另一個特性就是它的開關(guān)特性。當(dāng)用作電子開關(guān)時，由于MOSFET接通時漏極和源極之間直接連通，不存在直流漂移，而且控制柵極與信號通路是絕緣的，控制通路與信號通路之間沒有直流電流，所以，MOSFET較晶體管更適合作理想的開關(guān)元件。作為應(yīng)用MOSFET作電子開關(guān)的實例，我們介紹一種非常簡單的觸摸電子開關(guān)，其電路如圖6所示。
    電路利用MOSFET柵極絕緣的高輸入阻抗特性，當(dāng)電路接通電源后，由于A、B間開路，并聯(lián)在柵極和源極之間的電容C沒有充電回路，C兩端的電壓力OV，即VGS＝0，所以增強型MOSEFT處于截止?fàn)顟B(tài)，（相當(dāng)于開關(guān)斷開），ID≈0（一般小于1uA），繼電器不吸會。當(dāng)手指接觸上面一組接點A、B時，電流通過皮膚和A、B點對電容C充電，因C容量很小，所以兩端電壓VGs在很短的時間內(nèi)便可充到供電電源電壓值，此正向VGS使MOSFET導(dǎo)通。這時電容C經(jīng)柵極和源極緩慢放電，但柵源電阻可高達(dá)1010Ω，放電時間常數(shù)很大，即電路能在較長時間內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)（相當(dāng)于開關(guān)閉合接通）。只有當(dāng)用手觸摸接點C、D時才為電容C提供了放電回路，使電路恢復(fù)到關(guān)斷狀態(tài)．電路中的二極管D是用來旁路當(dāng)電流停止通過繼電器線圈時產(chǎn)生的自感電動勢。這種電動勢如果不被旁路，其極性正好與電源電壓串聯(lián)加在漏極、源極間，容易損壞管子。
上面介紹的是N溝道MOSFET。P溝道MOSFET除了導(dǎo)電溝道不同于N溝道MOSFET外，在控制機理上是一樣的，即VGs改變，導(dǎo)致溝道寬度改變，致使漏極電流ID改變，完成了VGS對輸出電流ID。的控制。這里不冉贅述。
4.MOSFET與晶體管的比較
MOSFET和晶體管都是具有受控作用的半導(dǎo)體器件，但具體性能上兩者還有各自的特點。掌握它們各自的特點，對我們大有好處。MOSFET和晶體管各自的特白如下；
（1）MOSFET溫度穩(wěn)定性好，并存在零溫度系數(shù)點。而晶體管受溫度的影響較大，因此，在環(huán)境溫度變化較大的場合下，采用FET更為合適。
（2）用作放大時，晶體管輸入端的發(fā)射結(jié)為正向偏置，輸入電阻較小，約幾KΩ。而MOSFET柵源間有絕緣層隔離，輸入電阻極高，可高達(dá) 1010Ω以上。因此，MOSFET放大級對前級的放大能力影響很小。
（3）MOSFET的輸入電阻極高，所以，一但棚極感應(yīng)上少量電荷，就很難泄放掉。MOSFET的絕緣層很薄，極間電容CGS很小，當(dāng)帶電荷的物體靠近它的柵極時，感應(yīng)少量電荷就會產(chǎn)生很高的電壓，將薄絕緣層擊穿，損壞MOS管。因此，使用MOSFET時，要特別小心，尤其是焊接MOS管時，電烙鐵外殼要良好接地。管子存放時，應(yīng)使MOS管的柵極和源極短接，避免柵極懸空。
（4）晶體管由于發(fā)射區(qū)和集電區(qū)結(jié)構(gòu)上的不對稱，所以正常使用時，發(fā)射極和集電極是不能互換的，而MOSFET在結(jié)構(gòu)上是對稱的，所以源極和漏極可以互換使用，但要注意，分立元件的MOSFET，有時廠家已將襯底和源極在管內(nèi)短接，遇到這種情況時，漏極和源極就不能互換使用了。
（5）耗盡型MOSFET的柵壓既可以是正壓，也可以是負(fù)壓，靈活性較大。而增強MOSFET的柵壓和晶體管的基極偏壓只能是一種極性。
    （6）MOSFET制造工藝簡單，功耗小，封裝密度極高，適合于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路。而晶體管電路的放大倍數(shù)具有（增益）高，非線性失真小等優(yōu)點，所以，在分立元件電路和中、小規(guī)模集成電路中有一定優(yōu)勢。
    （7）MOSFET在小電流、低電壓工作時，漏極和源極間可以等效為受柵壓控制的可變電阻器，即所謂壓控變阻器。它的這一特點，被廣泛地應(yīng)用于自動增益控制  （AGC）和電壓衰減器中。
    （8）MOSFET和晶體管均可用作放大或用作電子開關(guān)。當(dāng)用作放大時，晶體管單級放大器較MOSFET單級放大器的放大能力要高很多。但用作電子開關(guān)時，由于 MOSFET接通時漏極、源極之間不存在固有的直流漂移，而且控制極（柵極）與信號通路是絕緣的，控制通路與信號通路之間無直流電流，所以，MOSFET較晶體管更適合用作理想的開關(guān)元件。
    5.結(jié)型場效應(yīng)管
    除了上述的MOSFET之外，還有一種結(jié)型場效應(yīng)管。結(jié)型場效應(yīng)管（用JFET表示）也有N溝道和P溝道兩種類型，但結(jié)構(gòu)不同于MOSFET。它的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號分別如圖7（a）、（b）和圖8（a）、（b）所示。
    N溝道JPET如圖7所示、它是在一塊N型硅棒兩側(cè)擴散兩層高摻雜的P型區(qū)（用P＋表示），從兩個P型區(qū)引出兩個電極并聯(lián)在一起，稱為柵極（G）。在硅棒兩端引出兩個電極，分別稱為源極  （S）和漏極（D）P＋區(qū)和N棒間形成耗盡區(qū)，耗盡區(qū)寬度主要在N區(qū)一側(cè)，由于耗盡區(qū)不導(dǎo)電，因此，在VDS的作用下，N區(qū)中的多數(shù)載流子—一電子只能沿兩個耗盡區(qū)之間的狹長路徑（N型導(dǎo)電溝道）自源極向漏極運動，形成漏極電流ID。
同樣，以P型硅棒為基體，可構(gòu)成P為道JFET，如圖8所示。
JFET與MOSFET相似，也是利用柵源電壓控制導(dǎo)電溝道的寬度，達(dá)到控制漏極電流的目的。區(qū)別僅僅在于溝道形成的原理和控制方式不同。
JFET的工作原理與耗盡型MOSFET相同，但由于耗盡型MOSFET柵極、源極間存在絕緣層，不管柵壓是正壓還是負(fù)壓，都不會出現(xiàn)柵極電流，均能保證柵極電壓對漏極電流的控制作用；而JFET柵源間為PN結(jié)，要保證柵極電壓對漏極電流的控制作用，柵極電壓只能為一種極性，即柵極、源極間電壓極性應(yīng)保證PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，不允許出現(xiàn)柵極電流。所以，正常工作時，N溝道JFET的柵源電壓VGs應(yīng)加負(fù)壓， P溝道JFET的柵源電壓VGs應(yīng)加正壓。在這一點上，它不如MOSFET靈活。
由于JFET的柵、源間PN結(jié)是區(qū)向偏置，它的輸入電阻雖比晶體管大得多，但卻較MOSFET的輸入電阻低，所以，現(xiàn)在 常用的場效應(yīng)管是MOSFET。而JFET的應(yīng)用正在呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。
思考題；
1.要用一N溝道增強型MOSFET做壓控電阻。要使其等效電阻在原有阻值基礎(chǔ)上減小，柵極控制電壓在原有基礎(chǔ)上應(yīng)如何調(diào)整？
2.某信號源（電壓源）負(fù)載能力有限，為了保證信號源不過載，后接的單級放大器應(yīng)選用晶體管來做還是應(yīng)選用MOSFET來做？為對么？
萬用表檢測功率場效應(yīng)管
    VMOS管又叫功率場效應(yīng)管，它具有輸入阻抗高（大于108Ω）、驅(qū)動電流小（0.1mA左右）、開關(guān)速度快、高頻特性好、負(fù)電流溫度系數(shù)，熱穩(wěn)定性好、高度線性化的跨導(dǎo)、耐高壓（ 高可達(dá)1200V）、工作電流大（1.5A至100A）、輸出功率大（1至250W）等優(yōu)點。因此，它在功率放大器、彩色顯示器、大屏幕彩色電視機中都有廣泛應(yīng)用。由于功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與一般晶體管不同，用萬用表判斷其性能好壞、類型、電極的方法也不同。下面介紹用萬用表檢測功率場效應(yīng)管的技巧。
    1．柵極G的判定
    用萬用表 R×100Ω擋，測量功率場效應(yīng)管任意兩引腳之間的正、反向電阻值，其中一次測量中兩引腳電阻值為數(shù)百歐姆，這時兩表筆所接的引腳是D極與S極，則另一引腳未接表筆為G極。
    2．漏極D、源極S及類型的判定
用萬用表 R×10kΩ擋測量D極與S極之間正、反向電阻值，正向電阻值約為  0.2×10KΩ，反向電阻值在（5～∞）×100KΩ。在測反向電阻時，紅表筆所接引腳不變，黑表筆脫離所接引腳后，與G極觸碰一下，然后黑表筆去接原引腳，此時會出現(xiàn)兩種可能：
（1）若萬用表讀數(shù)由原來較大阻值變?yōu)榱悖?×100KΩ），則此時紅表筆所接為S極，黑表筆所接為D極。用黑表筆觸發(fā)G極有效（使功率場效應(yīng)管D極與S極之間正、反向電阻值均為OΩ），則該場效應(yīng)管為N溝道型。
（2）若萬用表讀數(shù)仍為較大值，則黑表筆接回原引腳不變，改用紅表筆去觸碰G極，然后紅表筆接回原引腳，此時萬用表讀數(shù)由原來阻值較大變?yōu)?Ω，則此時黑表筆所接為S極，紅表筆所接為D極。用紅表筆觸發(fā)G極有效，該場效應(yīng)管為P溝道型。
    3．功率場效應(yīng)管的好壞判別
    用萬用表R×10KΩ擋去測量場效應(yīng)管任意兩引腳之間的正、反向電阻值。如果出現(xiàn)兩次及兩次以上電阻值較小（幾乎為0×KΩ，則該場效應(yīng)管為損壞；如果僅出現(xiàn)一次電阻值較小（一般為數(shù)百歐姆），其余各次測量電阻值均為無窮大，還需作進(jìn)一步判斷。用萬用表R×KΩ擋測量D極與S極之間的正、反電阻值。對于N溝道VMOS管，紅表筆接S極，黑表筆先觸碰G極后，然后測量D極與S極之間的正、反向電阻值。若測得正、反向電阻值均為0Ω，該VMOS管為好的，對于P溝道VMOS管，黑表筆接S極，紅表筆先觸碰G極后，然后測量D極與S極之間的正、反向電阻值，若測得正、反向電阻值均為0Ω，則該VMOS管是好的。否則表明VMOS管已損壞。
    4．跨導(dǎo)大小的檢測
    對N為道VMOS管，用萬用表R×KΩ擋，紅表筆接S極，黑表筆接D極，此時G極開路萬用表指針偏轉(zhuǎn)較小，用手接觸G極，這時萬用表指針會明顯地偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量愈大，說明跨導(dǎo)愈高。
    對P溝道VMOS管，用萬用表R×KΩ擋，黑表筆接S極，紅表筆接D極，此時G極開路萬用表指針偏轉(zhuǎn)較小。用手接觸G極，這時萬用表指針明顯地偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量愈大，說明跨導(dǎo)愈高。
    應(yīng)注意的是，有少數(shù)VMOS管在G、S極之間接有保護(hù)二極管，以上檢測方法不再適用。
    5．檢測舉例
圖1所示VMOS管2SK727，用MF47型萬用表測量步驟如下：
（1）用R×100Ω擋，測量VMOS管任意兩引腳之間的正、反向電阻值，當(dāng)紅表筆接②腳，黑表筆接③腳時，萬用表讀數(shù)為800Ω，其余多次萬用表讀數(shù)均為無窮大，則①為G極。
    （2）用R×10KΩ擋測量D極與S極之間電阻值，當(dāng)紅表筆接②腳，黑麥筆接③腳，此時萬用表讀數(shù)為 0.3×10KΩ；當(dāng)萬用表紅表筆接③腳黑表筆接②腳，萬用表讀數(shù)為 ∞，這時紅表筆接③不動，黑表筆先觸碰①腳后，然后黑表筆接回到③腳，萬用表讀數(shù)為0Ω。此時紅表筆所接③腳為S極，黑表筆所接為D極。用黑表筆觸碰G有效，表明2SK727屬N溝道管，圖1所示的①、②、③腳分別為G極、D極、S極。
    （3）跨導(dǎo)大小的檢測
    2SK727管屬 N為道管，用 R×10KΩ擋，紅表筆接 S極，黑表筆接D極，此時G極開路，萬用表指針指在∞處，用手接觸G極，萬用表針偏轉(zhuǎn)至 10×10KΩ處，指針偏轉(zhuǎn)角度較大，說明跨導(dǎo)較大。
6．一些常見功率場效應(yīng)管電極排列
K1529、K200、K1530、K413、J201、Jll8．K423、K727、IRF730、IRF840管的電極排列如圖2所示。K214．K1058、J77、J162管的電極排列如圖3所示。
    K246．J103、K373、K30、K170、J74管的電極排列如圖4所示。
    
場效應(yīng)管的工作原理及應(yīng)用
    場效應(yīng)管（用FET表示）與晶體管的控制機理不同，它是利用輸入電壓去控制輸出電流的一種半導(dǎo)體器件。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理不同分為絕緣柵型（又稱MOS管或MOS－FET）場效應(yīng)管和結(jié)型（JFET）場效應(yīng)管兩大類型。與晶體管相比，它具有輸入電阻高，制造工藝簡單，特別適合大規(guī)模集成等諸多優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
    1.FET的工作原理和放大作用
    為了說明FET的工作原理和放大作用，我們先從一個簡單而實用的亮度調(diào)整電路談起。圖1是一個用MOSFET構(gòu)成的亮度調(diào)整由路。由圖1可見。如果我們旋動調(diào)節(jié)旋鈕（調(diào)節(jié)圖中RW電位器）就可以改變MOSFET的輸入電壓VGS，實現(xiàn)控制燈泡電流、改變燈光亮度的目的。電阻R1和R2的阻值決定了控制電壓的范圍，R1主要決定輸入控制電壓VGS的 大值，R2主要決定輸入控制電壓VGS的起始值。由于R1和R2的值可取得很大，因此可減少控制回路的電流，節(jié)省電能。并聯(lián)在輸入端的穩(wěn)壓二極管D2用來限制輸入控制電壓VGS，使 VGS不超過1OV，以保護(hù) MOSFET。那么 MOSFET是如何實現(xiàn)用輸入電壓VGS去控制輸出電流ID的呢？又為什么電路中的 R1和 R2可選得很大呢？這正是由MOSFET的控制機理和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。MOSFET有N溝道和P溝道兩種類型，每種類型又分為增強型和耗盡型，即N為道增強型、N溝還耗盡型、P溝道增強型和P為道耗盡型四種MOS管，我們在圖1光度調(diào)整電路中所采用的MOS管為N溝道增強型MOSFET。它的結(jié)構(gòu)及符號如圖2（a）、（b）所示。它是在一塊P型硅片上擴散兩個相距很近的高摻雜N型區(qū)（用N＋表示），并分別從兩個N型區(qū)上引出兩個電極，分別稱為源極（用S表示）和漏極（用D表示），在源區(qū)和漏區(qū)之間的襯底表面覆蓋一層很薄的絕緣層，再在這絕緣層上覆蓋一層金屬薄層，形成柵極（用G表示），因此，柵極與其它兩電極之間是絕緣的，故輸入電阻極高。另外，從襯底基片上引出一個電極，稱為襯底電極（用B表示），在分立元件中，常將B與源極S相連，而在集成電路中，B和S一般是不相連的、由圖2（a）可見，增強型MOSFET的漏區(qū)和源區(qū)之間被P型襯底隔開，好像兩個“背對背’連接的二極管。所以，當(dāng)不加?xùn)艠O電壓（即VGS＝0）時，不論漏極、源極之間加什么極性的電壓。總有一個PN結(jié)處于反偏，在忽略反向飽和電流的情況下。漏極電流ID≈0。此時，可近似地認(rèn)為MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)柵極和源極間加正向電壓（即VGS＞0）時，同時將襯底與源極短接，則在柵極金屬板與半導(dǎo)體之間的絕緣層產(chǎn)生一個垂直電場，這個電場吸引襯底和兩個N＋區(qū)的電子，VGS越大，吸引的自由電子數(shù)越多。表面層空穴數(shù)越少，當(dāng)VGS超過某一臨界值VT（稱為開啟電壓），將 終使表面層的電子數(shù)多于空穴數(shù)，使襯底表面由原來的P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型，且與兩個N＋區(qū)連通，形成漏區(qū)和源區(qū)間的導(dǎo)電溝道（N溝道）。此時，如果在漏極和源極之間加正向電壓（VGS＞0），就會有電流經(jīng)溝道到達(dá)源 極，形成漏極電流ID。MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，如圖3所示。
    很顯然。VGS越大，導(dǎo)電溝道越寬，溝道電阻越小，ID越大，這就是增強型MOSFET  VGS控制漏極電流ID的物理過程。前述的燈光亮度調(diào)整電路正是利用了N溝道增強型MOS－FET的這一工作原理，實現(xiàn)燈光亮度線也可調(diào)的。即增大R2’（＝R2＋kRw），可增大VGS電壓，從而使ID增加，使燈泡亮度增加。相反，調(diào)小R2’，使VGS電壓減少，ID減小，使燈泡亮度減小。也正是由于MOSFET是一種電壓控制器件，即控制量是電壓而不是電流，才可以將R1和R2的值選得很大，從而使控制回路電流減小，達(dá)到節(jié)省電能的目的。
實際上，N溝道耗盡型MOSFET在結(jié)構(gòu)上與N溝道增強型MOSFET很相似，結(jié)構(gòu)和符號如圖4（a）（b）所示。耗盡型MOSFET和增強型MOSFET的區(qū)別僅在于：在棚極不加電壓（VGS＝0）時，耗盡型MOSFET的漏極和源極間已有導(dǎo)電溝道存在，這溝道在制造管子時就已經(jīng)在漏、源極之間做成了。因此，若有VGS＞0，就有漏極電流ID，如果加正向柵壓（VGS＞0），溝道將在原有基礎(chǔ)上加寬，使導(dǎo)電能力提高，漏極電流ID增大。反之，如果加一負(fù)向柵壓（VGS＜0＝，則由于負(fù)柵極在溝道中感應(yīng)一定的正電荷，使溝道變窄。溝道電阻增大，導(dǎo)電能力減弱，漏極電流ID減小，所以，負(fù)柵壓起消耗原始溝道的作用。當(dāng)負(fù)向柵壓增大到某一臨界值VGS＝-Vp（Vp稱為夾斷電壓）時，溝道全部消失，使漏極電流ID≈0，管子截止。因此耗盡型MOSFET的VGS通過調(diào)整溝道寬度來實現(xiàn)對漏極電流ID的控制，這與增強型MOSFET的工作原理是相似的，不同點僅在于，耗盡型MOSFET的柵壓對N溝道可工作在VGS≤0或VGS＞0的情況下，而增強型MOSFET的柵壓對N溝道只能工作在VGS＞O的情況下。
2.FET的變阻特性
FET除了前述的放大特性外，它的另一種特性是變阻特性，這種變阻特性是|VDS|較小時所特有的。對N溝道增強型MOSFET來說，當(dāng)VDS較小，即滿足VDS＜＜（VGS－VT）時。VDS對導(dǎo)電溝道的影響可以忽略。當(dāng)柵源電壓VGS一定時，導(dǎo)電溝道的大小基本是一定的，溝道電阻也是一定的，當(dāng)VGS增加時，導(dǎo)電溝道也加寬，使溝道電阻變小。從這個意義上講，F(xiàn)ET像一個受柵壓VGs控制的可變電阻器，在VGS控制下，其阻值可在幾十歐～幾兆歐之間變化。利用FET的這一特點，可用FET作成電壓可控的可調(diào)電阻。實踐中這種例子很多，如我們平時使用的收音機、電視機，實際接收到的電信號由于發(fā)射機功率的不同和傳播條件的不同，各個臺信號強弱不一，其范圍可以從幾十uV～幾百mV。在這種情況下，要使接收機（收音機或電視機等）的輸出電平變化盡可能小，經(jīng)常需對接收機的增益實現(xiàn)自動控制（又稱AGC），做到當(dāng)收到的電臺信號較弱時，使增益自動提高，而收到的電臺信號較強時。又使增益自動降低，以保證我們看到或收到的信號的穩(wěn)定性。利用MOSFET的可變電阻特性，就可以實現(xiàn)這種自動增益控制。圖5就是能完成這種自動控 制的AGC電路。
    圖5中，A1是集成放大器，它的電壓放大倍數(shù)（又稱電壓增益）Av＝R2/R1＋R2（1＋R3/Rw）。顯然，當(dāng)Rw變化時，Av會向相反的方向變化，即Rw增大時，Av減小；Rw減小時，Av增大，這里的可變電阻Rw就是用MOSFET構(gòu)成的。它的控制過程如下：輸出電壓經(jīng)整流、濾波后，變成直流電壓去控制MOSFET的棚極，以便控制場效管的等效電阻Rw（注意VDS較小時FET工作在可變電阻區(qū)，具有變阻特性）。顯然，收到的目標(biāo)信號（即電臺廣播信號）電壓幅度越高，即目標(biāo)信號越強，整流、濾波（在以后講座中介紹）后的直流電壓越高，由耗盡型MOSFET構(gòu)成的可變電阻值越高，即Rw越大，于是電壓增益Av＝R2/R1＋R2（1＋R3/Rw）降低；反之，若接收的目標(biāo)信號較弱。整流、濾波后的直流電壓也較低，經(jīng)A2反相放大后直流電壓|-VGS|也較小；用它去控制耗盡MOSFET的柵極，使Rw減小，于是電壓增益Av增大，從而實現(xiàn)了電壓放大倍數(shù)（電壓增益）的自動控制。
    3.FET的開關(guān)特性
    在討論M0SFET的工作原理時已經(jīng)知道，對N溝道增強型MOSFET，當(dāng)VGS小于開啟電壓VT，即VGS＜VT時，管子處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)VGS大于開啟電壓 VT，即VGS＞VT時，管子處于導(dǎo)通狀態(tài)。對N溝道耗盡型MOSFET，當(dāng)|-VGS|＞|-Vp|時，管子截止；|-VGS|＜|-Vp|時，管子導(dǎo)通，因此，F(xiàn)ET的另一個特性就是它的開關(guān)特性。當(dāng)用作電子開關(guān)時，由于MOSFET接通時漏極和源極之間直接連通，不存在直流漂移，而且控制柵極與信號通路是絕緣的，控制通路與信號通路之間沒有直流電流，所以，MOSFET較晶體管更適合作理想的開關(guān)元件。作為應(yīng)用MOSFET作電子開關(guān)的實例，我們介紹一種非常簡單的觸摸電子開關(guān)，其電路如圖6所示。
    電路利用MOSFET柵極絕緣的高輸入阻抗特性，當(dāng)電路接通電源后，由于A、B間開路，并聯(lián)在柵極和源極之間的電容C沒有充電回路，C兩端的電壓力OV，即VGS＝0，所以增強型MOSEFT處于截止?fàn)顟B(tài)，（相當(dāng)于開關(guān)斷開），ID≈0（一般小于1uA），繼電器不吸會。當(dāng)手指接觸上面一組接點A、B時，電流通過皮膚和A、B點對電容C充電，因C容量很小，所以兩端電壓VGs在很短的時間內(nèi)便可充到供電電源電壓值，此正向VGS使MOSFET導(dǎo)通。這時電容C經(jīng)柵極和源極緩慢放電，但柵源電阻可高達(dá)1010Ω，放電時間常數(shù)很大，即電路能在較長時間內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)（相當(dāng)于開關(guān)閉合接通）。只有當(dāng)用手觸摸接點C、D時才為電容C提供了放電回路，使電路恢復(fù)到關(guān)斷狀態(tài)．電路中的二極管D是用來旁路當(dāng)電流停止通過繼電器線圈時產(chǎn)生的自感電動勢。這種電動勢如果不被旁路，其極性正好與電源電壓串聯(lián)加在漏極、源極間，容易損壞管子。
上面介紹的是N溝道MOSFET。P溝道MOSFET除了導(dǎo)電溝道不同于N溝道MOSFET外，在控制機理上是一樣的，即VGs改變，導(dǎo)致溝道寬度改變，致使漏極電流ID改變，完成了VGS對輸出電流ID。的控制。這里不冉贅述。
4.MOSFET與晶體管的比較
MOSFET和晶體管都是具有受控作用的半導(dǎo)體器件，但具體性能上兩者還有各自的特點。掌握它們各自的特點，對我們大有好處。MOSFET和晶體管各自的特白如下；
（1）MOSFET溫度穩(wěn)定性好，并存在零溫度系數(shù)點。而晶體管受溫度的影響較大，因此，在環(huán)境溫度變化較大的場合下，采用FET更為合適。
（2）用作放大時，晶體管輸入端的發(fā)射結(jié)為正向偏置，輸入電阻較小，約幾KΩ。而MOSFET柵源間有絕緣層隔離，輸入電阻極高，可高達(dá) 1010Ω以上。因此，MOSFET放大級對前級的放大能力影響很小。
（3）MOSFET的輸入電阻極高，所以，一但棚極感應(yīng)上少量電荷，就很難泄放掉。MOSFET的絕緣層很薄，極間電容CGS很小，當(dāng)帶電荷的物體靠近它的柵極時，感應(yīng)少量電荷就會產(chǎn)生很高的電壓，將薄絕緣層擊穿，損壞MOS管。因此，使用MOSFET時，要特別小心，尤其是焊接MOS管時，電烙鐵外殼要良好接地。管子存放時，應(yīng)使MOS管的柵極和源極短接，避免柵極懸空。
（4）晶體管由于發(fā)射區(qū)和集電區(qū)結(jié)構(gòu)上的不對稱，所以正常使用時，發(fā)射極和集電極是不能互換的，而MOSFET在結(jié)構(gòu)上是對稱的，所以源極和漏極可以互換使用，但要注意，分立元件的MOSFET，有時廠家已將襯底和源極在管內(nèi)短接，遇到這種情況時，漏極和源極就不能互換使用了。
（5）耗盡型MOSFET的柵壓既可以是正壓，也可以是負(fù)壓，靈活性較大。而增強MOSFET的柵壓和晶體管的基極偏壓只能是一種極性。
    （6）MOSFET制造工藝簡單，功耗小，封裝密度極高，適合于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路。而晶體管電路的放大倍數(shù)具有（增益）高，非線性失真小等優(yōu)點，所以，在分立元件電路和中、小規(guī)模集成電路中有一定優(yōu)勢。
    （7）MOSFET在小電流、低電壓工作時，漏極和源極間可以等效為受柵壓控制的可變電阻器，即所謂壓控變阻器。它的這一特點，被廣泛地應(yīng)用于自動增益控制  （AGC）和電壓衰減器中。
    （8）MOSFET和晶體管均可用作放大或用作電子開關(guān)。當(dāng)用作放大時，晶體管單級放大器較MOSFET單級放大器的放大能力要高很多。但用作電子開關(guān)時，由于 MOSFET接通時漏極、源極之間不存在固有的直流漂移，而且控制極（柵極）與信號通路是絕緣的，控制通路與信號通路之間無直流電流，所以，MOSFET較晶體管更適合用作理想的開關(guān)元件。
    5.結(jié)型場效應(yīng)管
    除了上述的MOSFET之外，還有一種結(jié)型場效應(yīng)管。結(jié)型場效應(yīng)管（用JFET表示）也有N溝道和P溝道兩種類型，但結(jié)構(gòu)不同于MOSFET。它的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號分別如圖7（a）、（b）和圖8（a）、（b）所示。
    N溝道JPET如圖7所示、它是在一塊N型硅棒兩側(cè)擴散兩層高摻雜的P型區(qū)（用P＋表示），從兩個P型區(qū)引出兩個電極并聯(lián)在一起，稱為柵極（G）。在硅棒兩端引出兩個電極，分別稱為源極  （S）和漏極（D）P＋區(qū)和N棒間形成耗盡區(qū)，耗盡區(qū)寬度主要在N區(qū)一側(cè)，由于耗盡區(qū)不導(dǎo)電，因此，在VDS的作用下，N區(qū)中的多數(shù)載流子—一電子只能沿兩個耗盡區(qū)之間的狹長路徑（N型導(dǎo)電溝道）自源極向漏極運動，形成漏極電流ID。
同樣，以P型硅棒為基體，可構(gòu)成P為道JFET，如圖8所示。
JFET與MOSFET相似，也是利用柵源電壓控制導(dǎo)電溝道的寬度，達(dá)到控制漏極電流的目的。區(qū)別僅僅在于溝道形成的原理和控制方式不同。
JFET的工作原理與耗盡型MOSFET相同，但由于耗盡型MOSFET柵極、源極間存在絕緣層，不管柵壓是正壓還是負(fù)壓，都不會出現(xiàn)柵極電流，均能保證柵極電壓對漏極電流的控制作用；而JFET柵源間為PN結(jié)，要保證柵極電壓對漏極電流的控制作用，柵極電壓只能為一種極性，即柵極、源極間電壓極性應(yīng)保證PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，不允許出現(xiàn)柵極電流。所以，正常工作時，N溝道JFET的柵源電壓VGs應(yīng)加負(fù)壓， P溝道JFET的柵源電壓VGs應(yīng)加正壓。在這一點上，它不如MOSFET靈活。
由于JFET的柵、源間PN結(jié)是區(qū)向偏置，它的輸入電阻雖比晶體管大得多，但卻較MOSFET的輸入電阻低，所以，現(xiàn)在 常用的場效應(yīng)管是MOSFET。而JFET的應(yīng)用正在呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。
思考題；
1.要用一N溝道增強型MOSFET做壓控電阻。要使其等效電阻在原有阻值基礎(chǔ)上減小，柵極控制電壓在原有基礎(chǔ)上應(yīng)如何調(diào)整？
2.某信號源（電壓源）負(fù)載能力有限，為了保證信號源不過載，后接的單級放大器應(yīng)選用晶體管來做還是應(yīng)選用MOSFET來做？為對么？
萬用表檢測功率場效應(yīng)管
    VMOS管又叫功率場效應(yīng)管，它具有輸入阻抗高（大于108Ω）、驅(qū)動電流小（0.1mA左右）、開關(guān)速度快、高頻特性好、負(fù)電流溫度系數(shù)，熱穩(wěn)定性好、高度線性化的跨導(dǎo)、耐高壓（ 高可達(dá)1200V）、工作電流大（1.5A至100A）、輸出功率大（1至250W）等優(yōu)點。因此，它在功率放大器、彩色顯示器、大屏幕彩色電視機中都有廣泛應(yīng)用。由于功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與一般晶體管不同，用萬用表判斷其性能好壞、類型、電極的方法也不同。下面介紹用萬用表檢測功率場效應(yīng)管的技巧。
    1．柵極G的判定
    用萬用表 R×100Ω擋，測量功率場效應(yīng)管任意兩引腳之間的正、反向電阻值，其中一次測量中兩引腳電阻值為數(shù)百歐姆，這時兩表筆所接的引腳是D極與S極，則另一引腳未接表筆為G極。
    2．漏極D、源極S及類型的判定
用萬用表 R×10kΩ擋測量D極與S極之間正、反向電阻值，正向電阻值約為  0.2×10KΩ，反向電阻值在（5～∞）×100KΩ。在測反向電阻時，紅表筆所接引腳不變，黑表筆脫離所接引腳后，與G極觸碰一下，然后黑表筆去接原引腳，此時會出現(xiàn)兩種可能：
（1）若萬用表讀數(shù)由原來較大阻值變?yōu)榱悖?×100KΩ），則此時紅表筆所接為S極，黑表筆所接為D極。用黑表筆觸發(fā)G極有效（使功率場效應(yīng)管D極與S極之間正、反向電阻值均為OΩ），則該場效應(yīng)管為N溝道型。
（2）若萬用表讀數(shù)仍為較大值，則黑表筆接回原引腳不變，改用紅表筆去觸碰G極，然后紅表筆接回原引腳，此時萬用表讀數(shù)由原來阻值較大變?yōu)?Ω，則此時黑表筆所接為S極，紅表筆所接為D極。用紅表筆觸發(fā)G極有效，該場效應(yīng)管為P溝道型。
    3．功率場效應(yīng)管的好壞判別
    用萬用表R×10KΩ擋去測量場效應(yīng)管任意兩引腳之間的正、反向電阻值。如果出現(xiàn)兩次及兩次以上電阻值較小（幾乎為0×KΩ，則該場效應(yīng)管為損壞；如果僅出現(xiàn)一次電阻值較小（一般為數(shù)百歐姆），其余各次測量電阻值均為無窮大，還需作進(jìn)一步判斷。用萬用表R×KΩ擋測量D極與S極之間的正、反電阻值。對于N溝道VMOS管，紅表筆接S極，黑表筆先觸碰G極后，然后測量D極與S極之間的正、反向電阻值。若測得正、反向電阻值均為0Ω，該VMOS管為好的，對于P溝道VMOS管，黑表筆接S極，紅表筆先觸碰G極后，然后測量D極與S極之間的正、反向電阻值，若測得正、反向電阻值均為0Ω，則該VMOS管是好的。否則表明VMOS管已損壞。
    4．跨導(dǎo)大小的檢測
    對N為道VMOS管，用萬用表R×KΩ擋，紅表筆接S極，黑表筆接D極，此時G極開路萬用表指針偏轉(zhuǎn)較小，用手接觸G極，這時萬用表指針會明顯地偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量愈大，說明跨導(dǎo)愈高。
    對P溝道VMOS管，用萬用表R×KΩ擋，黑表筆接S極，紅表筆接D極，此時G極開路萬用表指針偏轉(zhuǎn)較小。用手接觸G極，這時萬用表指針明顯地偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量愈大，說明跨導(dǎo)愈高。
    應(yīng)注意的是，有少數(shù)VMOS管在G、S極之間接有保護(hù)二極管，以上檢測方法不再適用。
    5．檢測舉例
圖1所示VMOS管2SK727，用MF47型萬用表測量步驟如下：
（1）用R×100Ω擋，測量VMOS管任意兩引腳之間的正、反向電阻值，當(dāng)紅表筆接②腳，黑表筆接③腳時，萬用表讀數(shù)為800Ω，其余多次萬用表讀數(shù)均為無窮大，則①為G極。
    （2）用R×10KΩ擋測量D極與S極之間電阻值，當(dāng)紅表筆接②腳，黑麥筆接③腳，此時萬用表讀數(shù)為 0.3×10KΩ；當(dāng)萬用表紅表筆接③腳黑表筆接②腳，萬用表讀數(shù)為 ∞，這時紅表筆接③不動，黑表筆先觸碰①腳后，然后黑表筆接回到③腳，萬用表讀數(shù)為0Ω。此時紅表筆所接③腳為S極，黑表筆所接為D極。用黑表筆觸碰G有效，表明2SK727屬N溝道管，圖1所示的①、②、③腳分別為G極、D極、S極。
    （3）跨導(dǎo)大小的檢測
    2SK727管屬 N為道管，用 R×10KΩ擋，紅表筆接 S極，黑表筆接D極，此時G極開路，萬用表指針指在∞處，用手接觸G極，萬用表針偏轉(zhuǎn)至 10×10KΩ處，指針偏轉(zhuǎn)角度較大，說明跨導(dǎo)較大。
6．一些常見功率場效應(yīng)管電極排列
K1529、K200、K1530、K413、J201、Jll8．K423、K727、IRF730、IRF840管的電極排列如圖2所示。K214．K1058、J77、J162管的電極排列如圖3所示。
    K246．J103、K373、K30、K170、J74管的電極排列如圖4所示。
    
場效應(yīng)管的工作原理及應(yīng)用
    場效應(yīng)管（用FET表示）與晶體管的控制機理不同，它是利用輸入電壓去控制輸出電流的一種半導(dǎo)體器件。根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作原理不同分為絕緣柵型（又稱MOS管或MOS－FET）場效應(yīng)管和結(jié)型（JFET）場效應(yīng)管兩大類型。與晶體管相比，它具有輸入電阻高，制造工藝簡單，特別適合大規(guī)模集成等諸多優(yōu)點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
    1.FET的工作原理和放大作用
    為了說明FET的工作原理和放大作用，我們先從一個簡單而實用的亮度調(diào)整電路談起。圖1是一個用MOSFET構(gòu)成的亮度調(diào)整由路。由圖1可見。如果我們旋動調(diào)節(jié)旋鈕（調(diào)節(jié)圖中RW電位器）就可以改變MOSFET的輸入電壓VGS，實現(xiàn)控制燈泡電流、改變燈光亮度的目的。電阻R1和R2的阻值決定了控制電壓的范圍，R1主要決定輸入控制電壓VGS的 大值，R2主要決定輸入控制電壓VGS的起始值。由于R1和R2的值可取得很大，因此可減少控制回路的電流，節(jié)省電能。并聯(lián)在輸入端的穩(wěn)壓二極管D2用來限制輸入控制電壓VGS，使 VGS不超過1OV，以保護(hù) MOSFET。那么 MOSFET是如何實現(xiàn)用輸入電壓VGS去控制輸出電流ID的呢？又為什么電路中的 R1和 R2可選得很大呢？這正是由MOSFET的控制機理和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。MOSFET有N溝道和P溝道兩種類型，每種類型又分為增強型和耗盡型，即N為道增強型、N溝還耗盡型、P溝道增強型和P為道耗盡型四種MOS管，我們在圖1光度調(diào)整電路中所采用的MOS管為N溝道增強型MOSFET。它的結(jié)構(gòu)及符號如圖2（a）、（b）所示。它是在一塊P型硅片上擴散兩個相距很近的高摻雜N型區(qū)（用N＋表示），并分別從兩個N型區(qū)上引出兩個電極，分別稱為源極（用S表示）和漏極（用D表示），在源區(qū)和漏區(qū)之間的襯底表面覆蓋一層很薄的絕緣層，再在這絕緣層上覆蓋一層金屬薄層，形成柵極（用G表示），因此，柵極與其它兩電極之間是絕緣的，故輸入電阻極高。另外，從襯底基片上引出一個電極，稱為襯底電極（用B表示），在分立元件中，常將B與源極S相連，而在集成電路中，B和S一般是不相連的、由圖2（a）可見，增強型MOSFET的漏區(qū)和源區(qū)之間被P型襯底隔開，好像兩個“背對背’連接的二極管。所以，當(dāng)不加?xùn)艠O電壓（即VGS＝0）時，不論漏極、源極之間加什么極性的電壓。總有一個PN結(jié)處于反偏，在忽略反向飽和電流的情況下。漏極電流ID≈0。此時，可近似地認(rèn)為MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)柵極和源極間加正向電壓（即VGS＞0）時，同時將襯底與源極短接，則在柵極金屬板與半導(dǎo)體之間的絕緣層產(chǎn)生一個垂直電場，這個電場吸引襯底和兩個N＋區(qū)的電子，VGS越大，吸引的自由電子數(shù)越多。表面層空穴數(shù)越少，當(dāng)VGS超過某一臨界值VT（稱為開啟電壓），將 終使表面層的電子數(shù)多于空穴數(shù)，使襯底表面由原來的P型轉(zhuǎn)變?yōu)镹型，且與兩個N＋區(qū)連通，形成漏區(qū)和源區(qū)間的導(dǎo)電溝道（N溝道）。此時，如果在漏極和源極之間加正向電壓（VGS＞0），就會有電流經(jīng)溝道到達(dá)源 極，形成漏極電流ID。MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，如圖3所示。
    很顯然。VGS越大，導(dǎo)電溝道越寬，溝道電阻越小，ID越大，這就是增強型MOSFET  VGS控制漏極電流ID的物理過程。前述的燈光亮度調(diào)整電路正是利用了N溝道增強型MOS－FET的這一工作原理，實現(xiàn)燈光亮度線也可調(diào)的。即增大R2’（＝R2＋kRw），可增大VGS電壓，從而使ID增加，使燈泡亮度增加。相反，調(diào)小R2’，使VGS電壓減少，ID減小，使燈泡亮度減小。也正是由于MOSFET是一種電壓控制器件，即控制量是電壓而不是電流，才可以將R1和R2的值選得很大，從而使控制回路電流減小，達(dá)到節(jié)省電能的目的。
實際上，N溝道耗盡型MOSFET在結(jié)構(gòu)上與N溝道增強型MOSFET很相似，結(jié)構(gòu)和符號如圖4（a）（b）所示。耗盡型MOSFET和增強型MOSFET的區(qū)別僅在于：在棚極不加電壓（VGS＝0）時，耗盡型MOSFET的漏極和源極間已有導(dǎo)電溝道存在，這溝道在制造管子時就已經(jīng)在漏、源極之間做成了。因此，若有VGS＞0，就有漏極電流ID，如果加正向柵壓（VGS＞0），溝道將在原有基礎(chǔ)上加寬，使導(dǎo)電能力提高，漏極電流ID增大。反之，如果加一負(fù)向柵壓（VGS＜0＝，則由于負(fù)柵極在溝道中感應(yīng)一定的正電荷，使溝道變窄。溝道電阻增大，導(dǎo)電能力減弱，漏極電流ID減小，所以，負(fù)柵壓起消耗原始溝道的作用。當(dāng)負(fù)向柵壓增大到某一臨界值VGS＝-Vp（Vp稱為夾斷電壓）時，溝道全部消失，使漏極電流ID≈0，管子截止。因此耗盡型MOSFET的VGS通過調(diào)整溝道寬度來實現(xiàn)對漏極電流ID的控制，這與增強型MOSFET的工作原理是相似的，不同點僅在于，耗盡型MOSFET的柵壓對N溝道可工作在VGS≤0或VGS＞0的情況下，而增強型MOSFET的柵壓對N溝道只能工作在VGS＞O的情況下。
2.FET的變阻特性
FET除了前述的放大特性外，它的另一種特性是變阻特性，這種變阻特性是|VDS|較小時所特有的。對N溝道增強型MOSFET來說，當(dāng)VDS較小，即滿足VDS＜＜（VGS－VT）時。VDS對導(dǎo)電溝道的影響可以忽略。當(dāng)柵源電壓VGS一定時，導(dǎo)電溝道的大小基本是一定的，溝道電阻也是一定的，當(dāng)VGS增加時，導(dǎo)電溝道也加寬，使溝道電阻變小。從這個意義上講，F(xiàn)ET像一個受柵壓VGs控制的可變電阻器，在VGS控制下，其阻值可在幾十歐～幾兆歐之間變化。利用FET的這一特點，可用FET作成電壓可控的可調(diào)電阻。實踐中這種例子很多，如我們平時使用的收音機、電視機，實際接收到的電信號由于發(fā)射機功率的不同和傳播條件的不同，各個臺信號強弱不一，其范圍可以從幾十uV～幾百mV。在這種情況下，要使接收機（收音機或電視機等）的輸出電平變化盡可能小，經(jīng)常需對接收機的增益實現(xiàn)自動控制（又稱AGC），做到當(dāng)收到的電臺信號較弱時，使增益自動提高，而收到的電臺信號較強時。又使增益自動降低，以保證我們看到或收到的信號的穩(wěn)定性。利用MOSFET的可變電阻特性，就可以實現(xiàn)這種自動增益控制。圖5就是能完成這種自動控 制的AGC電路。
    圖5中，A1是集成放大器，它的電壓放大倍數(shù)（又稱電壓增益）Av＝R2/R1＋R2（1＋R3/Rw）。顯然，當(dāng)Rw變化時，Av會向相反的方向變化，即Rw增大時，Av減小；Rw減小時，Av增大，這里的可變電阻Rw就是用MOSFET構(gòu)成的。它的控制過程如下：輸出電壓經(jīng)整流、濾波后，變成直流電壓去控制MOSFET的棚極，以便控制場效管的等效電阻Rw（注意VDS較小時FET工作在可變電阻區(qū)，具有變阻特性）。顯然，收到的目標(biāo)信號（即電臺廣播信號）電壓幅度越高，即目標(biāo)信號越強，整流、濾波（在以后講座中介紹）后的直流電壓越高，由耗盡型MOSFET構(gòu)成的可變電阻值越高，即Rw越大，于是電壓增益Av＝R2/R1＋R2（1＋R3/Rw）降低；反之，若接收的目標(biāo)信號較弱。整流、濾波后的直流電壓也較低，經(jīng)A2反相放大后直流電壓|-VGS|也較小；用它去控制耗盡MOSFET的柵極，使Rw減小，于是電壓增益Av增大，從而實現(xiàn)了電壓放大倍數(shù)（電壓增益）的自動控制。
    3.FET的開關(guān)特性
    在討論M0SFET的工作原理時已經(jīng)知道，對N溝道增強型MOSFET，當(dāng)VGS小于開啟電壓VT，即VGS＜VT時，管子處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)VGS大于開啟電壓 VT，即VGS＞VT時，管子處于導(dǎo)通狀態(tài)。對N溝道耗盡型MOSFET，當(dāng)|-VGS|＞|-Vp|時，管子截止；|-VGS|＜|-Vp|時，管子導(dǎo)通，因此，F(xiàn)ET的另一個特性就是它的開關(guān)特性。當(dāng)用作電子開關(guān)時，由于MOSFET接通時漏極和源極之間直接連通，不存在直流漂移，而且控制柵極與信號通路是絕緣的，控制通路與信號通路之間沒有直流電流，所以，MOSFET較晶體管更適合作理想的開關(guān)元件。作為應(yīng)用MOSFET作電子開關(guān)的實例，我們介紹一種非常簡單的觸摸電子開關(guān)，其電路如圖6所示。
    電路利用MOSFET柵極絕緣的高輸入阻抗特性，當(dāng)電路接通電源后，由于A、B間開路，并聯(lián)在柵極和源極之間的電容C沒有充電回路，C兩端的電壓力OV，即VGS＝0，所以增強型MOSEFT處于截止?fàn)顟B(tài)，（相當(dāng)于開關(guān)斷開），ID≈0（一般小于1uA），繼電器不吸會。當(dāng)手指接觸上面一組接點A、B時，電流通過皮膚和A、B點對電容C充電，因C容量很小，所以兩端電壓VGs在很短的時間內(nèi)便可充到供電電源電壓值，此正向VGS使MOSFET導(dǎo)通。這時電容C經(jīng)柵極和源極緩慢放電，但柵源電阻可高達(dá)1010Ω，放電時間常數(shù)很大，即電路能在較長時間內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)（相當(dāng)于開關(guān)閉合接通）。只有當(dāng)用手觸摸接點C、D時才為電容C提供了放電回路，使電路恢復(fù)到關(guān)斷狀態(tài)．電路中的二極管D是用來旁路當(dāng)電流停止通過繼電器線圈時產(chǎn)生的自感電動勢。這種電動勢如果不被旁路，其極性正好與電源電壓串聯(lián)加在漏極、源極間，容易損壞管子。
上面介紹的是N溝道MOSFET。P溝道MOSFET除了導(dǎo)電溝道不同于N溝道MOSFET外，在控制機理上是一樣的，即VGs改變，導(dǎo)致溝道寬度改變，致使漏極電流ID改變，完成了VGS對輸出電流ID。的控制。這里不冉贅述。
4.MOSFET與晶體管的比較
MOSFET和晶體管都是具有受控作用的半導(dǎo)體器件，但具體性能上兩者還有各自的特點。掌握它們各自的特點，對我們大有好處。MOSFET和晶體管各自的特白如下；
（1）MOSFET溫度穩(wěn)定性好，并存在零溫度系數(shù)點。而晶體管受溫度的影響較大，因此，在環(huán)境溫度變化較大的場合下，采用FET更為合適。
（2）用作放大時，晶體管輸入端的發(fā)射結(jié)為正向偏置，輸入電阻較小，約幾KΩ。而MOSFET柵源間有絕緣層隔離，輸入電阻極高，可高達(dá) 1010Ω以上。因此，MOSFET放大級對前級的放大能力影響很小。
（3）MOSFET的輸入電阻極高，所以，一但棚極感應(yīng)上少量電荷，就很難泄放掉。MOSFET的絕緣層很薄，極間電容CGS很小，當(dāng)帶電荷的物體靠近它的柵極時，感應(yīng)少量電荷就會產(chǎn)生很高的電壓，將薄絕緣層擊穿，損壞MOS管。因此，使用MOSFET時，要特別小心，尤其是焊接MOS管時，電烙鐵外殼要良好接地。管子存放時，應(yīng)使MOS管的柵極和源極短接，避免柵極懸空。
（4）晶體管由于發(fā)射區(qū)和集電區(qū)結(jié)構(gòu)上的不對稱，所以正常使用時，發(fā)射極和集電極是不能互換的，而MOSFET在結(jié)構(gòu)上是對稱的，所以源極和漏極可以互換使用，但要注意，分立元件的MOSFET，有時廠家已將襯底和源極在管內(nèi)短接，遇到這種情況時，漏極和源極就不能互換使用了。
（5）耗盡型MOSFET的柵壓既可以是正壓，也可以是負(fù)壓，靈活性較大。而增強MOSFET的柵壓和晶體管的基極偏壓只能是一種極性。
    （6）MOSFET制造工藝簡單，功耗小，封裝密度極高，適合于大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路。而晶體管電路的放大倍數(shù)具有（增益）高，非線性失真小等優(yōu)點，所以，在分立元件電路和中、小規(guī)模集成電路中有一定優(yōu)勢。
    （7）MOSFET在小電流、低電壓工作時，漏極和源極間可以等效為受柵壓控制的可變電阻器，即所謂壓控變阻器。它的這一特點，被廣泛地應(yīng)用于自動增益控制  （AGC）和電壓衰減器中。
    （8）MOSFET和晶體管均可用作放大或用作電子開關(guān)。當(dāng)用作放大時，晶體管單級放大器較MOSFET單級放大器的放大能力要高很多。但用作電子開關(guān)時，由于 MOSFET接通時漏極、源極之間不存在固有的直流漂移，而且控制極（柵極）與信號通路是絕緣的，控制通路與信號通路之間無直流電流，所以，MOSFET較晶體管更適合用作理想的開關(guān)元件。
    5.結(jié)型場效應(yīng)管
    除了上述的MOSFET之外，還有一種結(jié)型場效應(yīng)管。結(jié)型場效應(yīng)管（用JFET表示）也有N溝道和P溝道兩種類型，但結(jié)構(gòu)不同于MOSFET。它的結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號分別如圖7（a）、（b）和圖8（a）、（b）所示。
    N溝道JPET如圖7所示、它是在一塊N型硅棒兩側(cè)擴散兩層高摻雜的P型區(qū)（用P＋表示），從兩個P型區(qū)引出兩個電極并聯(lián)在一起，稱為柵極（G）。在硅棒兩端引出兩個電極，分別稱為源極  （S）和漏極（D）P＋區(qū)和N棒間形成耗盡區(qū)，耗盡區(qū)寬度主要在N區(qū)一側(cè)，由于耗盡區(qū)不導(dǎo)電，因此，在VDS的作用下，N區(qū)中的多數(shù)載流子—一電子只能沿兩個耗盡區(qū)之間的狹長路徑（N型導(dǎo)電溝道）自源極向漏極運動，形成漏極電流ID。
同樣，以P型硅棒為基體，可構(gòu)成P為道JFET，如圖8所示。
JFET與MOSFET相似，也是利用柵源電壓控制導(dǎo)電溝道的寬度，達(dá)到控制漏極電流的目的。區(qū)別僅僅在于溝道形成的原理和控制方式不同。
JFET的工作原理與耗盡型MOSFET相同，但由于耗盡型MOSFET柵極、源極間存在絕緣層，不管柵壓是正壓還是負(fù)壓，都不會出現(xiàn)柵極電流，均能保證柵極電壓對漏極電流的控制作用；而JFET柵源間為PN結(jié)，要保證柵極電壓對漏極電流的控制作用，柵極電壓只能為一種極性，即柵極、源極間電壓極性應(yīng)保證PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，不允許出現(xiàn)柵極電流。所以，正常工作時，N溝道JFET的柵源電壓VGs應(yīng)加負(fù)壓， P溝道JFET的柵源電壓VGs應(yīng)加正壓。在這一點上，它不如MOSFET靈活。
由于JFET的柵、源間PN結(jié)是區(qū)向偏置，它的輸入電阻雖比晶體管大得多，但卻較MOSFET的輸入電阻低，所以，現(xiàn)在 常用的場效應(yīng)管是MOSFET。而JFET的應(yīng)用正在呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。
思考題；
1.要用一N溝道增強型MOSFET做壓控電阻。要使其等效電阻在原有阻值基礎(chǔ)上減小，柵極控制電壓在原有基礎(chǔ)上應(yīng)如何調(diào)整？
2.某信號源（電壓源）負(fù)載能力有限，為了保證信號源不過載，后接的單級放大器應(yīng)選用晶體管來做還是應(yīng)選用MOSFET來做？為對么？
萬用表檢測功率場效應(yīng)管
    VMOS管又叫功率場效應(yīng)管，它具有輸入阻抗高（大于108Ω）、驅(qū)動電流小（0.1mA左右）、開關(guān)速度快、高頻特性好、負(fù)電流溫度系數(shù)，熱穩(wěn)定性好、高度線性化的跨導(dǎo)、耐高壓（ 高可達(dá)1200V）、工作電流大（1.5A至100A）、輸出功率大（1至250W）等優(yōu)點。因此，它在功率放大器、彩色顯示器、大屏幕彩色電視機中都有廣泛應(yīng)用。由于功率場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)與一般晶體管不同，用萬用表判斷其性能好壞、類型、電極的方法也不同。下面介紹用萬用表檢測功率場效應(yīng)管的技巧。
    1．柵極G的判定
    用萬用表 R×100Ω擋，測量功率場效應(yīng)管任意兩引腳之間的正、反向電阻值，其中一次測量中兩引腳電阻值為數(shù)百歐姆，這時兩表筆所接的引腳是D極與S極，則另一引腳未接表筆為G極。
    2．漏極D、源極S及類型的判定
用萬用表 R×10kΩ擋測量D極與S極之間正、反向電阻值，正向電阻值約為  0.2×10KΩ，反向電阻值在（5～∞）×100KΩ。在測反向電阻時，紅表筆所接引腳不變，黑表筆脫離所接引腳后，與G極觸碰一下，然后黑表筆去接原引腳，此時會出現(xiàn)兩種可能：
（1）若萬用表讀數(shù)由原來較大阻值變?yōu)榱悖?×100KΩ），則此時紅表筆所接為S極，黑表筆所接為D極。用黑表筆觸發(fā)G極有效（使功率場效應(yīng)管D極與S極之間正、反向電阻值均為OΩ），則該場效應(yīng)管為N溝道型。
（2）若萬用表讀數(shù)仍為較大值，則黑表筆接回原引腳不變，改用紅表筆去觸碰G極，然后紅表筆接回原引腳，此時萬用表讀數(shù)由原來阻值較大變?yōu)?Ω，則此時黑表筆所接為S極，紅表筆所接為D極。用紅表筆觸發(fā)G極有效，該場效應(yīng)管為P溝道型。
    3．功率場效應(yīng)管的好壞判別
    用萬用表R×10KΩ擋去測量場效應(yīng)管任意兩引腳之間的正、反向電阻值。如果出現(xiàn)兩次及兩次以上電阻值較小（幾乎為0×KΩ，則該場效應(yīng)管為損壞；如果僅出現(xiàn)一次電阻值較小（一般為數(shù)百歐姆），其余各次測量電阻值均為無窮大，還需作進(jìn)一步判斷。用萬用表R×KΩ擋測量D極與S極之間的正、反電阻值。對于N溝道VMOS管，紅表筆接S極，黑表筆先觸碰G極后，然后測量D極與S極之間的正、反向電阻值。若測得正、反向電阻值均為0Ω，該VMOS管為好的，對于P溝道VMOS管，黑表筆接S極，紅表筆先觸碰G極后，然后測量D極與S極之間的正、反向電阻值，若測得正、反向電阻值均為0Ω，則該VMOS管是好的。否則表明VMOS管已損壞。
    4．跨導(dǎo)大小的檢測
    對N為道VMOS管，用萬用表R×KΩ擋，紅表筆接S極，黑表筆接D極，此時G極開路萬用表指針偏轉(zhuǎn)較小，用手接觸G極，這時萬用表指針會明顯地偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量愈大，說明跨導(dǎo)愈高。
    對P溝道VMOS管，用萬用表R×KΩ擋，黑表筆接S極，紅表筆接D極，此時G極開路萬用表指針偏轉(zhuǎn)較小。用手接觸G極，這時萬用表指針明顯地偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量愈大，說明跨導(dǎo)愈高。
    應(yīng)注意的是，有少數(shù)VMOS管在G、S極之間接有保護(hù)二極管，以上檢測方法不再適用。
    5．檢測舉例
圖1所示VMOS管2SK727，用MF47型萬用表測量步驟如下：
（1）用R×100Ω擋，測量VMOS管任意兩引腳之間的正、反向電阻值，當(dāng)紅表筆接②腳，黑表筆接③腳時，萬用表讀數(shù)為800Ω，其余多次萬用表讀數(shù)均為無窮大，則①為G極。
    （2）用R×10KΩ擋測量D極與S極之間電阻值，當(dāng)紅表筆接②腳，黑麥筆接③腳，此時萬用表讀數(shù)為 0.3×10KΩ；當(dāng)萬用表紅表筆接③腳黑表筆接②腳，萬用表讀數(shù)為 ∞，這時紅表筆接③不動，黑表筆先觸碰①腳后，然后黑表筆接回到③腳，萬用表讀數(shù)為0Ω。此時紅表筆所接③腳為S極，黑表筆所接為D極。用黑表筆觸碰G有效，表明2SK727屬N溝道管，圖1所示的①、②、③腳分別為G極、D極、S極。
    （3）跨導(dǎo)大小的檢測
    2SK727管屬 N為道管，用 R×10KΩ擋，紅表筆接 S極，黑表筆接D極，此時G極開路，萬用表指針指在∞處，用手接觸G極，萬用表針偏轉(zhuǎn)至 10×10KΩ處，指針偏轉(zhuǎn)角度較大，說明跨導(dǎo)較大。
6．一些常見功率場效應(yīng)管電極排列
K1529、K200、K1530、K413、J201、Jll8．K423、K727、IRF730、IRF840管的電極排列如圖2所示。K214．K1058、J77、J162管的電極排列如圖3所示。
    K246．J103、K373、K30、K170、J74管的電極排列如圖4所示。