淺談場效應管開關特性

于敏

摘 要：本文分析了場效應管的結構，介紹了其作為開關應用時的條件及工作原理，重點分析了開關特性：動態特性、輸出特性、靜態特性；同時，分析影響它作為開關工作的不利因素，及各種損耗，并且采取一定的措施，來提高工作效率。利用場效應管作為開關的優點，應用于不同電路中，充分發揮效應管作為開關的優勢，為電器所服務。

關鍵詞：場效應管；靜態特性；動態特性

中圖分類號：TM23 文獻標識碼：A

1 場效應管開關工作原理

1.1 場效應管結構。按導電溝道極性可分為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型。S為源極，D為漏極，G為柵極。按工作原理分結型、絕緣柵型。

1.2 場效應管開關的工作原理。場效應管是一種單極型電壓控制器件，具有自關斷能力。若在場效應管的柵極（P區）和源極（N區）之間加上一個反向電壓（柵負壓），改變EG的大小，可以改變耗盡區的厚度，從而改變漏極電流ID大小。柵壓愈負，耗盡區愈厚，漏極電流愈小。當柵壓負到一定程度時，耗盡區將全部占領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。

場效應管的柵壓為零時，漏源兩極之間導通：柵壓足夠負時，場效應管夾斷，即ID =0，場效應管作為開關元件使用。場效應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，當柵—源加上電壓時，形成表面電場，影響柵極下面P區的狀態，其過程：

當Ugs<0，在表面電場作用下，P區內多子在表面堆積，漏—源區間相當于兩個反向串聯二極管。無導電溝道形成，元件呈阻斷狀態，器件仍阻斷。

當0

當0

當Ugs>Ut時，若Uds=0。即使有導電溝道，漏—源無電場建立，電子無法形成定向運動，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，外加電場強度越高，電子定向運動速度越快，電流越大，漏極電流受控于Ugs和Uds。

2 場效應管開關特性

2.1 靜態特性。靜態特性指場效應管的輸出、轉移特性。

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間關系的曲線為輸出特性。它分為三個區域：非飽和區I、飽和區II、雪崩區III，在飽和區，漏極電流不隨漏源電壓變化。非飽和區Uds較小，當Uds為常數時，Id與Uds幾乎呈線性關系，當大于一定電壓值后，漏極PN結發生雪崩擊穿，進入雪崩區III，漏電流突然增大器件損壞。

2.1.2 轉移特性。場效應管的輸入柵極電壓Ugs與輸出漏極電流Id之間的關系，它表示場效應管的放大能力，用跨導參數表示，非線性（Id與Ugs）關系如圖2所示。

2.2 動態特性。動態特性影響場效應管的開關過程，它的開關過程分為四個階段，開通過程、導通過程、關斷過程，阻斷狀態。開通時間對應著場效應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，關斷時間對應場效應管有飽和到截止的關斷過程，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。關斷時間由漏源電容Cgd和負載電阻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，也受信號源的上升時間和內阻的影響。它開關速度高，開關時間短，在納秒的數量級為20ns。

3 場效應管的應用

場效應管因其制造工藝簡單，噪聲小，便于集成、功耗低、動態范圍寬、溫度特性好，沒有二次擊穿現象、輸入電阻大、高安全工作區域寬等優點，得到了廣泛應用。場效應管在電力電子技術中作為大功率半導體器件稱為功率場效應晶體（MOSFET），它作為高性能的電力電子器件主要應用于開關穩壓電源、三相感應電動機PWM變頻調速系統、高頻感應加熱電源和超聲波功率發生器等裝置中或者在高頻線路中使用。例如：用做開關電源中的主開關器件。但MOSFET在線性放大和功率開關等方面的應用正在向深度和廣度迅速發展，各種新穎電路不斷問世。

結語

通過對半導體器件的結構、工作原理、開關特性的分析，更進一步了解場效應管作為開關的性能和優缺點及影響開關工作的不利因素。在應用時，盡量避免不利因素的產生，提高場效應管開關的工作效率和利用率，逐步代替傳統式的開關，充分發揮場效應管開關的優勢，廣泛應用于自動控制和自動保護等電路中，服務于工業、農業等各個領域。

參考文獻

[1]王家驊，等.半導體器件物原理[M].北京：科學出版社，1983.

[2]葉良修.半導體物理學[M].北京：高等大學出版社，1983.

[3]華偉，周文定.現代電力電子器件及應用[M].北京：北方交通大學出版社，清華大學出版社，2002.

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