汽车电工电子基础（第3版） 课件 7.2场效应管控制电磁阀电路实验

7.2场效应管控制电磁阀电路实验项目七：汽车执行器与控制场效应管的简介和分类场效应管的工作原理场效应管的使用优势场效应管与三极管的各自应用特点实施项目123451.场效应管的简介和分类

场效应晶体管，简称场效应管，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、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。1.1场效应管的简介1.2场效应管的分类

场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。2.场效应管的工作原理我们以增强型MOS场效应管为例，它可分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道三极管是由输入的基极小电流控制输出的集电极大电流，但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。（a）截止状态（b）导通状态

要解释MOS场效应管的工作原理，我们先复习一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。单PN结二极管工作原理

对于场效应管，在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中。从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。（a）截止状态（b）导通状态下图给出了P沟道的MOS场效应管的工作过程，其工作原理类似N沟道MOS管。（a）截止状态（b）导通状态3.场效应管的使用优势

场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。

场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电，被称之为双极型器件。

有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。

场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路中得到了广泛的应用。请参考下图的电路进行场效应管开关电路仿真。图中10Ω电阻防止门极瞬间电流过大损坏绝缘栅,该电阻过大会降低开关速度,导致场效应管发热,一般为10Ω左右。20kΩ下拉电阻可以保证门极电荷可靠泄放,避免门控信号悬空时场效应管意外导通。可以尝试断开20kΩ电阻，我们发现场效应管将因为栅极内部的电荷无法泄放,场效应管继续导通,电路不会关断。场效应管仿真参考电路4.场效应管与三极管的各自应用特点

1.场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极E、基极B、集电极C，它们的作用相似。

2.场效应管是电压控制电流器件，由VGS控制iD，其放大系数gm一般较小，因此场效应管的放大能力较差；三极管是电流控制电流器件，由iB（或iE）控制iC。

3.场效应管栅极几乎不取电流；而三极管工作时基极总要吸取一定的电流。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高。

4.场效应管只有多子参与导电；三极管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。在环境条件（温度等）变化很大的情况下应选用场效应管。

5.场效应管和三极管均可组成各种放大电路和开路电路，但由于前者制造工艺简单，且具有耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽等优点，因而被广泛用于大规模和超大规模集成电路中。

6.三极管导通电阻大，场效应管导通电阻小，只有几百毫欧姆，在现在的用电器件上，一般都用场效应管做开关来用，它的效率是比较高的。

5.项目实施1）三极管元件的认知和测量。2）三极管电流放大特性实训。3）三极管控制电磁阀开关电路。4）达林顿管驱动电路实训。（1）任务布置实训指导书万用表可调锂电池模块积木连线实训板场效应管元件板场效应管驱动板场效应管特性板场效应管元件板电流电压表积木板电磁阀特性实训板连接导线（2）任务准备

需要准备以下器材。步骤图示工作页1读识积木板上的元件图，场效应管型号分别为__________、__________；其中_________是N沟道管；_________是P沟道管。场效应管的三个电极分别是_________、_________、_________。2用万用表二极管档测量场效应管各个电极导通情况，填写下表：

1）场效应管的认知与测量。（3）任务步骤步骤图示工作页3测量次数连接特点数字表显示IRF640IRF9640第一次红表笔固定G极DS第二次红表笔固定D极GS第三次红表笔固定S极GD测量数据从上表测量数据我们可以判断场效应管的三个电极吗？步骤图示工作页1读识电路原理图，场效应管特性实训电路是以场效应管为核心，调节栅极电压控制漏源极电流的变化，通过负载灯泡亮度和测量电表的变化得出实训数据，进而分析场效应管特性原理。2用连接导线按照积木连接示意图连接成完整电路，连接电路比较复杂，请同学们细心连接，注意连接前先关闭电源开关。

2）场效应管特性实训。步骤图示工作页3检查无误后接通电源，其中Ig测量的是_____，Vgs测量的是______，Id测量的是______，Vds测量的是_______；从左至右旋转电压调节电位器，我们可以看到灯泡亮度是变化情况是_______，观察各电表的变化，均匀取5个Vg电压，填写下表：4电位器位置VgsIgIdVds最左端向右旋转1向右旋转2向右旋转3最右端从上表中我们可以得出结论：场效应管是__________控制型元件，控制特点是_______________。步骤图示工作页1读识电路原理图，理解各个元器件的作用。电源：___________________________场效应管：_______________________栅极电阻：_______________________灯泡：___________________________2用连接导线按照积木连接示意图连接成完整电路，注意连接前先关闭电源开关。3检查无误后接通电源，当开关断开时，Vgs_______，Id________，D、S相当于开关_________，灯泡_________。

3）场效应管开关控制电磁阀、灯泡。步骤图示工作页1当开关闭合时，Vgs_______，Id_________，相当于开关_________，灯泡_______。其中下拉电阻的作用是__________。从实训中我们可以得出结