淺談場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)特性

于敏

摘 要：本文分析了場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)，介紹了其作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)的條件及工作原理，重點(diǎn)分析了開關(guān)特性：動(dòng)態(tài)特性、輸出特性、靜態(tài)特性；同時(shí)，分析影響它作為開關(guān)工作的不利因素，及各種損耗，并且采取一定的措施，來(lái)提高工作效率。利用場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于不同電路中，充分發(fā)揮效應(yīng)管作為開關(guān)的優(yōu)勢(shì)，為電器所服務(wù)。

關(guān)鍵詞：場(chǎng)效應(yīng)管；靜態(tài)特性；動(dòng)態(tài)特性

中圖分類號(hào)：TM23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)工作原理

1.1 場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)。按導(dǎo)電溝道極性可分為P溝道和N溝道 。按柵極對(duì)溝道的控制方式分為耗盡型和增強(qiáng)型。S為源極，D為漏極，G為柵極。按工作原理分結(jié)型、絕緣柵型。

1.2 場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)的工作原理。場(chǎng)效應(yīng)管是一種單極型電壓控制器件，具有自關(guān)斷能力。若在場(chǎng)效應(yīng)管的柵極（P區(qū)）和源極（N區(qū)）之間加上一個(gè)反向電壓（柵負(fù)壓），改變EG的大小，可以改變耗盡區(qū)的厚度，從而改變漏極電流ID大小。柵壓愈負(fù)，耗盡區(qū)愈厚，漏極電流愈小。當(dāng)柵壓負(fù)到一定程度時(shí)，耗盡區(qū)將全部占領(lǐng)N型溝道所具有的位置，漏極電流等于零（ID=0）為夾斷，漏極電流ID隨柵極電壓的變化而變化。

場(chǎng)效應(yīng)管的柵壓為零時(shí)，漏源兩極之間導(dǎo)通：柵壓足夠負(fù)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管夾斷，即ID =0，場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)元件使用。場(chǎng)效應(yīng)管中的電流是在電場(chǎng)作用下多子形成的漂移電流，對(duì)N溝道器件，是電子形成的，其電流密度受到柵源電壓Ugs和漏源電壓Uds兩個(gè)因素影響，它的柵極是絕緣的，不會(huì)形成柵極電流，當(dāng)柵—源加上電壓時(shí)，形成表面電場(chǎng)，影響柵極下面P區(qū)的狀態(tài)，其過程：

當(dāng)Ugs<0，在表面電場(chǎng)作用下，P區(qū)內(nèi)多子在表面堆積，漏—源區(qū)間相當(dāng)于兩個(gè)反向串聯(lián)二極管。無(wú)導(dǎo)電溝道形成，元件呈阻斷狀態(tài)，器件仍阻斷。

當(dāng)0

當(dāng)0

當(dāng)Ugs>Ut時(shí)，若Uds=0。即使有導(dǎo)電溝道，漏—源無(wú)電場(chǎng)建立，電子無(wú)法形成定向運(yùn)動(dòng)，漏極電流Id=0，在Uds>0后，溝道中載流子才在電場(chǎng)作用下形成從源極到漏極的漂移電流，外加電場(chǎng)強(qiáng)度越高，電子定向運(yùn)動(dòng)速度越快，電流越大，漏極電流受控于Ugs和Uds。

2 場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)特性

2.1 靜態(tài)特性。靜態(tài)特性指場(chǎng)效應(yīng)管的輸出、轉(zhuǎn)移特性。

2.1.1 輸出特性。以柵源電壓Ugs為參變量反映漏極電流Id與漏源電壓Uds間關(guān)系的曲線為輸出特性。它分為三個(gè)區(qū)域：非飽和區(qū)I、飽和區(qū)II、雪崩區(qū)III，在飽和區(qū)，漏極電流不隨漏源電壓變化。非飽和區(qū)Uds較小，當(dāng)Uds為常數(shù)時(shí)，Id與Uds幾乎呈線性關(guān)系，當(dāng)大于一定電壓值后，漏極PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，進(jìn)入雪崩區(qū)III，漏電流突然增大器件損壞。

2.1.2 轉(zhuǎn)移特性。場(chǎng)效應(yīng)管的輸入柵極電壓Ugs與輸出漏極電流Id之間的關(guān)系，它表示場(chǎng)效應(yīng)管的放大能力，用跨導(dǎo)參數(shù)表示，非線性（Id與Ugs）關(guān)系如圖2所示。

2.2 動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性影響場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)過程，它的開關(guān)過程分為四個(gè)階段，開通過程、導(dǎo)通過程、關(guān)斷過程，阻斷狀態(tài)。開通時(shí)間對(duì)應(yīng)著場(chǎng)效應(yīng)管從截止到飽和開通過程，為從輸入信號(hào)波形上升到其幅值的的時(shí)刻開始到輸出信號(hào)Ui波形下降到幅值得的90%時(shí)刻為止所需時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間對(duì)應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管有飽和到截止的關(guān)斷過程，它為從輸入信號(hào)波形下降其幅值90%時(shí)刻開始到上升到幅值10%輸出電壓波形時(shí)刻位置所需時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間由漏源電容Cgd和負(fù)載電阻Rd決定。開通時(shí)間與開啟電壓、柵源電容Cgs和柵漏間電容Cgd有關(guān)，也受信號(hào)源的上升時(shí)間和內(nèi)阻的影響。它開關(guān)速度高，開關(guān)時(shí)間短，在納秒的數(shù)量級(jí)為20ns。

3 場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用

場(chǎng)效應(yīng)管因其制造工藝簡(jiǎn)單，噪聲小，便于集成、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍寬、溫度特性好，沒有二次擊穿現(xiàn)象、輸入電阻大、高安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)管在電力電子技術(shù)中作為大功率半導(dǎo)體器件稱為功率場(chǎng)效應(yīng)晶體（MOSFET），它作為高性能的電力電子器件主要應(yīng)用于開關(guān)穩(wěn)壓電源、三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)、高頻感應(yīng)加熱電源和超聲波功率發(fā)生器等裝置中或者在高頻線路中使用。例如：用做開關(guān)電源中的主開關(guān)器件。但MOSFET在線性放大和功率開關(guān)等方面的應(yīng)用正在向深度和廣度迅速發(fā)展，各種新穎電路不斷問世。

結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、開關(guān)特性的分析，更進(jìn)一步了解場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)的性能和優(yōu)缺點(diǎn)及影響開關(guān)工作的不利因素。在應(yīng)用時(shí)，盡量避免不利因素的產(chǎn)生，提高場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)的工作效率和利用率，逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)式的開關(guān)，充分發(fā)揮場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)等電路中，服務(wù)于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]王家驊，等.半導(dǎo)體器件物原理[M].北京：科學(xué)出版社，1983.

[2]葉良修.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：高等大學(xué)出版社，1983.

[3]華偉，周文定.現(xiàn)代電力電子器件及應(yīng)用[M].北京：北方交通大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社，2002.

[4]R.H.Kingston.“Switching Time in Junction Diodes and Junction Transistor Proc.”IRE.42.829 （1954）.