于　敏（永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城 476600）

淺談場效應(yīng)管開關(guān)特性

于敏
（永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城 476600）

摘要：本文分析了場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)，介紹了其作為開關(guān)應(yīng)用時的條件及工作原理，重點(diǎn)分析了開關(guān)特性：動態(tài)特性、輸出特性、靜態(tài)特性；同時，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，來提高工作效率。利用場效應(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，為電器所服務(wù)。

關(guān)鍵詞：場效應(yīng)管；靜態(tài)特性；動態(tài)特性

1　場效應(yīng)管開關(guān)工作原理

1.1 場效應(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 場效應(yīng)管開關(guān)的工作原理。場效應(yīng)管是一種單極型電壓控制器件，具有自關(guān)斷能力。若在場效應(yīng)管的柵極（P區(qū)）和源極（N區(qū)）之間加上一個反向電壓（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，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。

場效應(yīng)管的柵壓為零時，漏源兩極之間導(dǎo)通：柵壓足夠負(fù)時，場效應(yīng)管夾斷，即ID=0，場效應(yīng)管作為開關(guān)元件使用。場效應(yīng)管中的電流是在電場作用下多子形成的漂移電流，對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兩個因素影響，它的柵極是絕緣的，不會形成柵極電流，當(dāng)柵—源加上電壓時，形成表面電場，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)于兩個反向串聯(lián)二極管。無導(dǎo)電溝道形成，元件呈阻斷狀態(tài)，器件仍阻斷。

當(dāng)0＜Ugs＜Ut， P區(qū)表面表現(xiàn)為耗盡狀態(tài)，器件仍阻斷。

當(dāng)0＜Ugs＜Ut，在電場作用下，P區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子被拉到P型區(qū)表面，使P區(qū)反型成N區(qū)，柵壓越高，電子濃度越高，形成導(dǎo)電溝道。

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

2　場效應(yīng)管開關(guān)特性

2.1 靜態(tài)特性。靜態(tài)特性指場效應(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，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。

圖1　輸出特性

2.1.2 轉(zhuǎn)移特性。場效應(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。

圖2　轉(zhuǎn)移特性

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

3　場效應(yīng)管的應(yīng)用

場效應(yīng)管因其制造工藝簡單，噪聲小，便于集成、功耗低、動態(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

通過對半導(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，盡量避免不利因素的產(chǎn)生，提高場效應(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)揮場效應(yīng)管開關(guān)的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于自動控制和自動保護(hù)等電路中，服務(wù)于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個領(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）．

中圖分類號：TM23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項(xiàng)目：河南省教育科學(xué)“十二五”課規(guī)劃題 （課題編號[2011]-JKGHAB-0104）研究成果