浅谈场效应管开关特性

于敏

摘 要：本文分析了场效应管的结构，介绍了其作为开关应用时的条件及工作原理，重点分析了开关特性：动态特性、输出特性、静态特性；同时，分析影响它作为开关工作的不利因素，及各种损耗，并且采取一定的措施，来提高工作效率。利用场效应管作为开关的优点，应用于不同电路中，充分发挥效应管作为开关的优势，为电器所服务。

关键词：场效应管；静态特性；动态特性

中图分类号：TM23 文献标识码：A

1 场效应管开关工作原理

1.1 场效应管结构。按导电沟道极性可分为P沟道和N沟道 。按栅极对沟道的控制方式分为耗尽型和增强型。S为源极，D为漏极，G为栅极。按工作原理分结型、绝缘栅型。

1.2 场效应管开关的工作原理。场效应管是一种单极型电压控制器件，具有自关断能力。若在场效应管的栅极（P区）和源极（N区）之间加上一个反向电压（栅负压），改变EG的大小，可以改变耗尽区的厚度，从而改变漏极电流ID大小。栅压愈负，耗尽区愈厚，漏极电流愈小。当栅压负到一定程度时，耗尽区将全部占领N型沟道所具有的位置，漏极电流等于零（ID=0）为夹断，漏极电流ID随栅极电压的变化而变化。

场效应管的栅压为零时，漏源两极之间导通：栅压足够负时，场效应管夹断，即ID =0，场效应管作为开关元件使用。场效应管中的电流是在电场作用下多子形成的漂移电流，对N沟道器件，是电子形成的，其电流密度受到栅源电压Ugs和漏源电压Uds两个因素影响，它的栅极是绝缘的，不会形成栅极电流，当栅—源加上电压时，形成表面电场，影响栅极下面P区的状态，其过程：

当Ugs<0，在表面电场作用下，P区内多子在表面堆积，漏—源区间相当于两个反向串联二极管。无导电沟道形成，元件呈阻断状态，器件仍阻断。

当0

当0

当Ugs>Ut时，若Uds=0。即使有导电沟道，漏—源无电场建立，电子无法形成定向运动，漏极电流Id=0，在Uds>0后，沟道中载流子才在电场作用下形成从源极到漏极的漂移电流，外加电场强度越高，电子定向运动速度越快，电流越大，漏极电流受控于Ugs和Uds。

2 场效应管开关特性

2.1 静态特性。静态特性指场效应管的输出、转移特性。

2.1.1 输出特性。以栅源电压Ugs为参变量反映漏极电流Id与漏源电压Uds间关系的曲线为输出特性。它分为三个区域：非饱和区I、饱和区II、雪崩区III，在饱和区，漏极电流不随漏源电压变化。非饱和区Uds较小，当Uds为常数时，Id与Uds几乎呈线性关系，当大于一定电压值后，漏极PN结发生雪崩击穿，进入雪崩区III，漏电流突然增大器件损坏。

2.1.2 转移特性。场效应管的输入栅极电压Ugs与输出漏极电流Id之间的关系，它表示场效应管的放大能力，用跨导参数表示，非线性（Id与Ugs）关系如图2所示。

2.2 动态特性。动态特性影响场效应管的开关过程，它的开关过程分为四个阶段，开通过程、导通过程、关断过程，阻断状态。开通时间对应着场效应管从截止到饱和开通过程，为从输入信号波形上升到其幅值的的时刻开始到输出信号Ui波形下降到幅值得的90%时刻为止所需时间，关断时间对应场效应管有饱和到截止的关断过程，它为从输入信号波形下降其幅值90%时刻开始到上升到幅值10%输出电压波形时刻位置所需时间。关断时间由漏源电容Cgd和负载电阻Rd决定。开通时间与开启电压、栅源电容Cgs和栅漏间电容Cgd有关，也受信号源的上升时间和内阻的影响。它开关速度高，开关时间短，在纳秒的数量级为20ns。

3 场效应管的应用

场效应管因其制造工艺简单，噪声小，便于集成、功耗低、动态范围宽、温度特性好，没有二次击穿现象、输入电阻大、高安全工作区域宽等优点，得到了广泛应用。场效应管在电力电子技术中作为大功率半导体器件称为功率场效应晶体（MOSFET），它作为高性能的电力电子器件主要应用于开关稳压电源、三相感应电动机PWM变频调速系统、高频感应加热电源和超声波功率发生器等装置中或者在高频线路中使用。例如：用做开关电源中的主开关器件。但MOSFET在线性放大和功率开关等方面的应用正在向深度和广度迅速发展，各种新颖电路不断问世。

结语

通过对半导体器件的结构、工作原理、开关特性的分析，更进一步了解场效应管作为开关的性能和优缺点及影响开关工作的不利因素。在应用时，尽量避免不利因素的产生，提高场效应管开关的工作效率和利用率，逐步代替传统式的开关，充分发挥场效应管开关的优势，广泛应用于自动控制和自动保护等电路中，服务于工业、农业等各个领域。

参考文献

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