課題課題：場效應管授課班級時間數12課時教學方法講授法教具自制課件、場效應管、萬用表教學目標知識與技能1、能識別場效應管2、掌握場效應管電流特性3、掌握場效應管的主要參數情感與態度培養學生學習興趣，克服學習障礙，養成良好學習習慣，樹立學習信心。教學重點場效應管的工作原理、場效應管的識別和檢測教學難點場效應管的工作原理教學過程：第一課時教學環節教學內容教師活動學生活動教學資源安排課題引入視頻引入新課教學一、結型場效應管的簡介1.名稱結型場效應晶體管（Junction Field-Effect Transistor，JFET）：JFET是由p-n結柵極(G)與源極(S)和漏極(D)構成的一種具有放大功能的三端有源器件。其工作原理就是通過電壓改變溝道的導電性來實現對輸出電流的控制。對于結型場效應晶體管（JFET），最常見到的是耗盡型JFET（D-JFET），即在0柵偏壓時就存在有溝道 的JFET；一般，不使用增強型JFET（E-JFET）在0柵偏壓時不存在溝道 的JFET。這主要是由于長溝道E-JFET在使用時較難以產生出導電的溝道、從而導通性能不好的緣故。不過，由于高速、低功耗電路中應用的需要，有時也需要采用E-JFET。JFET導電的溝道在體內。耗盡型和增強型這兩種晶體管在工藝和結構上的差別主要在于其溝道區的摻雜濃度和厚度。D-JFET的溝道的摻雜濃度較高、厚度較大，以致于柵pn結的內建電壓不能把溝道完全耗盡；而E-JFET的溝道的摻雜濃度較低、厚度較小，則柵pn結的內建電壓即可把溝道完全耗盡。但是，對于短溝道E-JFET，情況則有所不同，因為這種晶體管的漏極電壓可以作用到源極附近，使得溝道中的勢壘降低，所以能夠形成導電溝道。這種E-JFET從本質上來說也就是靜電感應晶體管。在導電機理上與JFET相同的場效應晶體管就是Schottky柵極場效應晶體管（MESFET），這里只是用金屬-半導體接觸的Schottky結代替了p-n結作為柵極。另外還有一種場效應晶體管，就是高電子遷移率晶體管（HEMT），這種器件在結構上與MESFET類似，但是在工作機理上卻更接近于MOSFET。此外，MOSFET的襯偏效應實際上也就是JFET的一種作用。所有的FET都有柵極（gate）、漏極（drain）、源極（source）三個端，分別大致對應雙極性晶體管的基極（base）、集電極（collector）和發射極（emitter）。除了結型場效應管外，所有的FET也有第四端，被稱為體（body）、基（base）、塊體（bulk）或襯底（substrate）。這個第四端可以將晶體管調制至運行；在電路設計中，很少讓體端發揮大的作用，但是當物理設計一個集成電路的時候，它的存在就是重要的。在圖中柵極的長度（length）L，是指源和漏的距離。寬度（width）是指晶體管的范圍，在圖中和橫截面垂直。通常情況下寬度比長度大得多。長度1微米的柵極限制最高頻率約為5GHz，0.2微米則是約30GHz。這些端的名稱和它們的功能有關。柵極可以被認為是控制一個物理柵的開關。這個柵極可以通過制造或者消除源極和漏極之間的溝道，從而允許或者阻礙電子流過。如果受一個外加的電壓影響，電子流將從源極流向漏極。體很簡單的就是指柵、漏、源極所在的半導體的塊體。通常體端和一個電路中最高或最低的電壓相連，根據類型不同而不同。體端和源極有時連在一起，因為有時源也連在電路中最高或最低的電壓上。當然有時一些電路中FET并沒有這樣的結構，比如級聯傳輸電路和串疊式電路。2.發明場效應晶體管于1925年由Julius Edgar Lilienfeld和于1934年由Oskar Heil分別發明，但是實用的器件一直到1952年才被制造出來（結型場效應管）。1960年Dawan Kahng發明了金屬氧化物半導體場效應晶體管，從而大部分代替了JFET，對電子行業的發展有著深遠的意義。3.符號和結構講解課件展示圖片展示課堂作業看書學習4課外作業5課后反思教學過程：第二課時教學環節教學內容教師活動學生活動教學資源安排課題引入回顧上一次課講的主要內容。結型場效應管的符號、結構、類型提問思考回答新課教學一、結型場效應三極管的型號命名方法現行有兩種命名方法。第一種命名方法與雙極型三極管相同，第三位字母J代表結型場效應管，O代表絕緣柵場效應管。第二位字母代表 材料，D是P型硅，反型層是N溝道；C是N型硅P溝道。例如,3DJ6D是結型N溝道場效應三極管，3DO6C 是絕緣柵型N溝道場效應三極管。第二種命名方法是CS#，CS代表場效應管，以數字代表型號的序號，#用字母代表同一型號中的不同規格。例如CS14A、CS45G等。 二、結型場效應管的參數場效應管的參數很多，包括直流參數、交流參數和極限參數，但一般使用時關注以下主要參數：1、I DSS 飽和漏源電流。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，柵極電壓U GS=0時的漏源電流。2、UP 夾斷電壓。是指結型或耗盡型絕緣柵場效應管中，使漏源間剛截止時的柵極電壓。3、UT 開啟電壓。是指增強型絕緣柵場效管中，使漏源間剛導通時的柵極電壓。4、gM 跨導。是表示柵源電壓U GS 對漏極電流I D的控制能力，即漏極電流I D變化量與柵源電壓UGS變化量的比值。gM 是衡量場效應管放大能力的重要參數。5、BUDS 漏源擊穿電壓。是指柵源電壓UGS一定時，場效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。這是一項極限參數，加在場效應管上的工作電壓必須小于BUDS。6、PDSM 最大耗散功率。也是一項極限參數，是指場效應管性能不變壞時所允許的最大漏源耗散功率。使用時，場效應管實際功耗應小于PDSM并留有一定余量。7、IDSM 最大漏源電流。是一項極限參數，是指場效應管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。場效應管的工作電流不應超過IDSM。 三、結型場效應管的作用1、場效應管可應用于放大。由于場效應管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。2、場效應管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。3、場效應管可以用作可變電阻。4、場效應管可以方便地用作恒流源。5、場效應管可以用作電子開關。 四、結型場效應管的測試1、結型場效應管的管腳識別：場效應管的柵極相當于晶體管的基極，源極和漏極分別對應于晶體管的發射極和集電極。將萬用表置于R1k檔，用兩表筆分別測量每兩個管腳間的正、反向電阻。當某兩個管腳間的正、反向電阻相等，均為數K時，則這兩個管腳為漏極D和源極S（可互換），余下的一個管腳即為柵極G。對于有4個管腳的結型場效應管，另外一極是屏蔽極（使用中接地）。2、判定柵極用萬用表黑表筆碰觸管子的一個電極，紅表筆分別碰觸另外兩個電極。若兩次測出的阻值都很小，說明均是正向電阻，該管屬于N溝道場效應管，黑表筆接的也是柵極。制造工藝決定了場效應管的源極和漏極是對稱的，可以互換使用，并不影響電路的正常工作，所以不必加以區分。源極與漏極間的電阻約為幾千歐。注意不能用此法判定絕緣柵型場效應管的柵極。因為這種管子的輸入電阻極高，柵源間的極間電容又很小，測量時只要有少量的電荷，就可在極間電容上形成很高的電壓，容易將管子損壞。3、估測場效應管的放大能力將萬用表撥到R100檔，紅表筆接源極S，黑表筆接漏極D，相當于給場效應管加上1.5V的電源電壓。這時表針指示出的是D-S極間電阻值。然后用手指捏柵極G，將人體的感應電壓作為輸入信號加到柵極上。由于管子的放大作用，UDS和ID都將發生變化，也相當于D-S極間電阻發生變化，可觀察到表針有較大幅度的擺動。如果手捏柵極時表針擺動很小，說明管子的放大能力較弱；若表針不動，說明管子已經損壞。由于人體感應的50Hz交流電壓較高，而不同的場效應管用電阻檔測量時的工作點可能不同，因此用手捏柵極時表針可能向右擺動，也可能向左擺動。少數的管子RDS減小，使表針向右擺動，多數管子的RDS增大，表針向左擺動。無論表針的擺動方向如何，只要能有明顯地擺動，就說明管子具有放大能力。設問講解請學生上來動手測試課件展示視頻展示課堂作業看書學習4課外作業5課后反思教學過程：第三課時教學環節教學內容教師活動學生活動教學資源安排課題引入回顧上一次課講的主要內容：結型場效應管的測試？提問思考回答新課教學一、結型場效應管的特性曲線FET通過影響導電溝道的尺寸和形狀，控制從源到漏的電子流（或者空穴流）。溝道是由（是否）加在柵極和源極的電壓而創造和影響的（為了討論的簡便，這默認體和源極是相連的）。導電溝道是從源極到漏極的電子流。在一個n溝道耗盡模式器件，一個負的柵源電壓將造成一個耗盡區去拓展寬度，自邊界侵占溝道，使溝道變窄。如果耗盡區擴展至完全關閉溝道，源極和漏極之間溝道的電阻將會變得很大，FET就會像開關一樣有效的關閉。類似的，一個正的柵源電壓將增大溝道尺寸，而使電子更易流過。相反的，在一個n溝道增強模式器件中，一個正的柵源電壓是制造導電溝道所必需的，因為它不可能在晶體管中自然的存在。正電壓吸引了體中的自由移動的電子向柵極運動，形成了導電溝道。但是首先，充足的電子需要被吸引到柵極的附近區域去對抗加在FET中的摻雜離子；這形成了一個沒有運動載流子的被稱為耗盡區的區域，這種現象被稱為FET的閾值電壓。更高的柵源電壓將會吸引更多的電子通過柵極，則會制造一個從源極到漏極的導電溝道；這個過程叫做反型。無論是增強模式還是耗盡模式器件，在漏源電壓遠小于柵源電壓時，改變柵極電壓將改變溝道電阻，漏電流將和漏電壓（相對于源極的電壓）成之比。在這種模式下FET將像一個可變電阻一樣運行，被稱為線性模式或歐姆模式。23如果漏源電壓增長了，由于源漏電勢的梯度，它將造成溝道形狀上的一個很大的非對稱改變。在溝道的漏末端，反型區域的形狀變成夾斷（pinched-off）。如果漏源電壓進一步增長，溝道的夾斷點將開始離開漏極，向源極移動。這種FET被稱為飽和模式；4 一些作者把它稱為有源模式，為了更好的和雙極晶體管操作區對比。56 當需要放大的時候一般用飽和模式或者歐姆模式與飽和模式的中間模式。中間模式有時被認為是歐姆或線性模式的一部分，盡管漏電流并不隨著漏電壓大致線性增長。盡管在飽和模式下，柵源電壓形成的導電溝道不再和源相連，載流子的流動并沒有被禁止。重新考慮n溝道器件，耗盡區存在于p型體中的導電溝道和漏、源區域周圍。如果受到漏源電壓向漏方向的吸引，組成溝道的電子將通過耗盡區自由的從溝道中移走。耗盡區將沒有載流子，而有近似于硅的電阻。任何漏源電壓的增長將增加漏極到夾斷點的距離，相對于耗盡區增加的電阻和加在漏源上的電壓成正比。這種正比的變化造成漏源電流保持相對固定的對漏源電壓的獨立變化，這和線性模式運行有所不同。盡管在飽和模式下，FET就像一個穩恒電流源而不是電阻，它可以在電壓放大器中大多數有效的運用。在這種情況下，柵源電壓決定了通過溝道的固定電流的大小。講解課件展示視頻展示課堂作業看書學習4課外作業5課后反思教學過程：第四課時教學環節教學內容教師活動學生活動教學資源安排課題引入回顧上一次課講的主要內容：結型場效應管的特性曲線？提問思考回答新課教學一、絕緣柵型場效應管的簡介絕緣柵型場效應管是一種利用半導體表面的電場效應，由感應電荷的多少改變導電溝道來控制漏極電流的器件，它的柵極與半導體之間是絕緣的，其電阻大于1000000000。 增強型：VGS=0時，漏源之間沒有導電溝道，在VDS作用下無iD。耗盡型：VGS=0時，漏源之間有導電溝道，在VDS作用下iD。1. 結構和符號（以N溝道增強型為例）在一塊濃度較低的P型硅上擴散兩個濃度較高的N型區作為漏極和源極，半導體表面覆蓋二氧化硅絕緣層并引出一個電極作為柵極。N溝道絕緣柵型場效應管結構動畫其他MOS管符號2.MOS場效應管 即金屬-氧化物-半導體型場效應管，英文縮寫為MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），屬于絕緣柵型。其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻（最高可達1015）。它也分N溝道管和P溝道管，符號如圖1所示。通常是將襯底（基板）與源極S接在一起。根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指：當VGS=0時管子是呈截止狀態，加上正確的VGS后，多數載流子被吸引到柵極，從而“增強”了該區域的載流子，形成導電溝道。耗盡型則是指，當VGS=0時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉向截止。以N溝道為例，它是在P型硅襯底上制成兩個高摻雜濃度的源擴散區N+和漏擴散區N+，再分別引出源極S和漏極D。源極與襯底在內部連通，二者總保持等電位。圖1（a）符號中的前頭方向是從外向里，表示從P型材料（襯底）指身N型溝道。當漏接電源正極，源極接電源負極并使VGS=0時，溝道電流（即漏極電流）ID=0。隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在兩個擴散區之間就感應出帶負電的少數載流子，形成從漏極到源極的N型溝道，當VGS大于管子的開啟電壓VTN（一般約為+2V）時，N溝道管開始導通，形成漏極電流ID。國產N溝道MOSFET的典型產品有3DO1、3DO2、3DO4（以上均為單柵管），4DO1（雙柵管）。它們的管腳排列（底視圖）見圖2。MOS場效應管比較“嬌氣”。這是由于它的輸入電阻很高，而柵-源極間電容又非常小，極易受外界電磁場或靜電的感應而帶電，而少量電荷就可在極間電容上形成相當高的電壓（U=Q/C），將管子損壞。因此了廠時各管腳都絞合在一起，或裝在金屬箔內，使G極與S極呈等電位，防止積累靜電荷。管子不用時，全部引線也應短接。在測量時應格外小心，并采取相應的防靜電感措施。設問講解課件展示課件展示圖片展示課堂作業看書學習4課外作業5課后反思教學過程：第五課時教學環節教學內容教師活動學生活動教學資源安排課題引入回顧上一次課講的主要內容。絕緣柵型場效應管的符號、結構、類型提問思考回答新課教學一、MOS場效應管的檢測方法（1）準備工作測量之前，先把人體對地短路后，才能摸觸MOSFET的管腳。最好在手腕上接一條導線與大地連通，使人體與大地保持等電位。再把管腳分開，然后拆掉導線。（2）判定電極將萬用表撥于R100檔，首先確定柵極。若某腳與其它腳的電阻都是無窮大，證明此腳就是柵極G。交換表筆重測量，S-D之間的電阻值應為幾百歐至幾千歐，其中阻值較小的那一次，黑表筆接的為D極，紅表筆接的是S極。日本生產的3SK系列產品，S極與管殼接通，據此很容易確定S極。（3）檢查放大能力（跨導）將G極懸空，黑表筆接D極，紅表筆接S極，然后用手指觸摸G極，表針應有較大的偏轉。雙柵MOS場效應管有兩個柵極G1、G2。為區分之，可用手分別觸摸G1、G2極，其中表針向左側偏轉幅度較大的為G2極。目前有的MOSFET管在G-S極間增加了保護二極管，平時就不需要把各管腳短路了。二、MOS場效應晶體管使用注意事項MOS場效應晶體管在使用時應注意分類，不能隨意互換。MOS場效應晶體管由于輸入阻抗高（包括MOS集成電路）極易被靜電擊穿，使用時應注意以下規則：（1）MOS器件出廠時通常裝在黑色的導電泡沫塑料袋中，切勿自行隨便拿個塑料袋裝。也可用細銅線把各個引腳連接在一起，或用錫紙包裝（2）取出的MOS器件不能在塑料板上滑動，應用金屬盤來盛放待用器件。（3）焊接用的電烙鐵必須良好接地。（4）在焊接前應把電路板的電源線與地線短接，再MOS器件焊接完成后在分開。（5）MOS器件各引腳的焊接順序是漏極、源極、柵極。拆機時順序相反。（6）.電路板在裝機之前，要用接地的線夾子去碰一下機器的各接線端子，再把電路板接上去。（7）. MOS場效應晶體管的柵極在允許條件下，最好接入保護二極管。在檢修電路時應注意查證原有的保護二極管是否損壞。 三、VMOS場效應管VMOS場效應管（VMOSFET）簡稱VMOS管或功率場效應管，其全稱為V型槽MOS場效應管。它是繼MOSFET之后新發展起來的高效、功率開關器件。它不僅繼承了MOS場效應管輸入阻抗高（108W）、驅動電流小（左右0.1A左右），還具有耐壓高（最高可耐壓1200V）、工作電流大（1.5A100A）、輸出功率高（1250W）、跨導的線性好、開關速度快等優良特性。正是由于它將電子管與功率晶體管之優點集于一身，因此在電壓放大器（電壓放大倍數可達數千倍）、功率放大器、開關電源和逆變器中正獲得廣泛應用。眾所周知，傳統的MOS場效應管的柵極、源極和漏極大大致處于同一水平面的芯片上，其工作電流基本上是沿水平方向流動。VMOS管則不同，從左下圖上可以看出其兩大結構特點:第一，金屬柵極采用V型槽結構；第二，具有垂直導電性。由于漏極是從芯片的背面引出，所以ID不是沿芯片水平流動，而是自重摻雜N+區（源極S）出發，經過P溝道流入輕摻雜N-漂移區，最后垂直向下到達漏極D。電流方向如圖中箭頭所示，因為流通截面積增大，所以能通過大電流。由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層，因此它仍屬于絕緣柵型MOS場效應管。 國內生產VMOS場效應管的主要廠家有877廠、天津半導體器件四廠、杭州電子管廠等，典型產品有VN401、VN672、VMPT2等。表1列出六種VMOS管的主要參數。其中，IRFPC50的外型如右上圖所示。四、VMOS場效應管的檢測方法（1）判定柵極G 將萬用表撥至R1k檔分別測量三個管腳之間的電阻。若發現某腳與其字兩腳的電阻均呈無窮大，并且交換表筆后仍為無窮大，則證明此腳為G極，因為它和另外兩個管腳是絕緣的。（2）判定源極S、漏極D 由圖1可見，在源-漏之間有一個PN結，因此根據PN結正、反向電阻存在差異，可識別S極與D極。用交換表筆法測兩次電阻，其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，此時黑表筆的是S極，紅表筆接D極。（3）測量漏-源通態電阻RDS（on） 將G-S極短路，選擇萬用表的R1檔，黑表筆接S極，紅表筆接D極，阻值應為幾歐至十幾歐。由于測試條件不同，測出的RDS（on）值比手冊中給出的典型值要高一些。例如用500型萬用表R1檔實測一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。（4）檢查跨導 將萬用表置于R1k（或R100）檔，紅表筆接S極，黑表筆接D極，手持螺絲刀去碰觸柵極，表針應有明顯偏轉，偏轉愈大，管子的跨導愈高。五、注意事項：（1）VMOS管亦分N溝道管與P溝道管，但絕大多數產品屬于N溝道管。對于P溝道管，測量時應交換表筆的位置。（2）有少數VMOS管在G-S之間并有保護二極管，本檢測方法中的1、2項不再適用。（3）目前市場上還有一種VMOS管功率模塊，專供交流電機調速器、逆變器使用。例如美國IR公司生產的IRFT001型模塊，內部有N溝道、P溝道管各三只，構成三相橋式結構。（4）現在市售VNF系列（N溝道）產品，是美國Supertex公司生產的超高頻功率場效應管，其最高