半导体器件之场效应管在电路中应用十分广泛,既可以集成在芯片里面,也可以单独应用在外围电路。
场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写(FET))简称场效应管。主要有两种类型(junction FET—JFET)和金属 - 氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor FET,简称MOS-FET)。由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高(107~1015Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现在已经成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
场效应管(FET)是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,并以此命名。
对于的解释可能有点难理解,实际上我们要想用好场效应管,不一定需要对它的工作原理和内部结构有很仔细地了解,就好比我们用电脑的操作系统,我们不需要仔细地了解操作系统的内部结构也可以在上面工作,但是我们要知道的它的基本规则,最起码知道如何开机关机……
同样的道理,对于场效应管的学习可以不必进一步探索它的结构和原理,但要想用好它,就必须要知道它的“规则”。
场效应管的分类主要有两大类,详细的分类定义如上图所示,本文给大家伙儿一起来分享的是红圈选中的类型——N沟道增强型MOS管(简称CMOS,C指增强型,MOS管是指场效应管中绝缘栅型场效应管,N沟道和P沟道的区别主要是工作电压极性的不同),其余的类型暂时不做介绍,如有兴趣可以在百度上查找相关的资料。
CMOS管有三个极,分别为栅极G,漏极D和源极S,区分N沟道和P沟道的区别方法是依据电路符号中心箭头方向的不同,向里的是N沟道,向外的是P沟道。电路符号最右边的二极管称为寄生二极管,最大的作用是保护CMOS管不受方向电流击穿,但寄生二极管不是所有的MOS管都有,取决于该型号制作工艺。
首先要知道,CMOS管是电压控制电流的元件,而三极管是电流控制电流元件,在电路中,受控的电流是D极流向S极的电流,控制源是栅极电压。为了更加清晰地描述它的工作方式,用一个比喻来讲述。
如上图所示,把CMOS管比作一道桥梁,D极和S极为桥梁的两端,桥上人员流动比作电路电流,但正常的情况下,人们只能从D端走向S端。G极就好比是决定桥可以通过多少人的管理员。在电路中是这样:
很明显,当GS之间加上一定的电压Vgs,相当于管理员把桥梁打开一定的幅度,桥梁就能够最终靠行人,但人员流通速度受管理员控制,就是说此时MOS管处于导通状态,但有最大电流的限制,受控于Vgs。因此能通过调节G极电位来实现对D极电流的控制。
可见,CMOS管有三个工作区域,分别是可变电阻区、恒流区、夹断区(Vgs(th)以下)。
夹断区:对应桥梁断开的情况,Id之间几乎为零,随着Vgs的增加,当Vgs=Vgs(th)时,好比桥梁刚刚打开的情况,相当于只可以通过一人,此时漏极D开始有电流。
恒流区:明显不同的栅极电压Vgs对应着不同的恒定电流Id,Vgs越大,Id越大。在该区域,即使Vds继续增大,Id也不会增大,因而实现了栅极电压对漏极电流的控制。
可变电阻区:在该工作区域,输出特性曲线相当于一条直线,近似于伏安特性曲线,斜率为电阻的倒数,可见不同的Vgs对应的曲线的斜率不同,相当于D极和S极之间有阻值不同的电阻,因此称为可变电阻区。
总结:对于增强型MOS管,在恒流区,漏极电流Id受控于栅极电压Vgs;不同的工作区域对应着不同的工作状态,在数字电路中,一般在可变电阻区与夹断区之间切换;模拟电路中以上三种状态都会存在。
CMOS管能应用在开关、放大、保护等电路中。后续的文章将会介绍有关CMOS管在数字电路或模拟电路中的一些应用。
上图是本人刚初中毕业的时候做的一个逆变器(年代久远,图片不清敬请原谅,哈哈),原理是利用TL494芯片产生两路推挽信号,经过三极管对信号的放大作用,实现对CMOS管的驱动,CMOS管的通断的状态不断切换相应不断改变着变压器中初级线圈电流的方向,进而在次级线圈中产生感应电流。图中圈出来的是四个加上散热器的型号为IRF3205的N沟道CMOS管,它们两两对称组成推挽开关电路。
ps:当时做的时候并不懂这些知识,只是按照网络上提供的电路图来把电路组装起来。真正了解它的工作原理是在大学学习了《模拟电子技术》之后……
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