完整版对场效应管工作原理的理解Word格式文档下载.docx
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而且是
PN结工作在反向偏置的状态。
刚开机时,如果负偏置没有加上,此时Id是最大的。
特点:
1,GS和GD有二极管特性,正向导通,反向电阻很大
2:
DS也是导通特性,阻抗比较大
3:
GS工作在反向偏置的状态。
4:
DS极完全对称,可以反用,即D当做S,S当做D。
从以上介绍的情况看,可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比,即栅极相当于基极,源
极相当于发射极,漏极相当于集电极。
如果把硅片做成P型,而栅极做成N型,则成为P沟道结型
场效应管。
结型场效应管的符号如图b所示。
符号:
箭头的方向仍然是PN结正向导通的方向。
绝缘栅场效应管MOSFET
结型虽然电压控制方式,但是仍然有少子的飘移形成电流。
绝缘栅场效应管是栅极与衬底完全绝缘,所以叫绝缘栅场效应管。
绝缘栅型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用,绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)分为增强型和
耗尽型两大类,每类中又有N沟道和P沟道之分,N沟道又叫PMOS管,P沟道又叫NMOS管。
不象双极型晶体管只有NPN和PNP两类,场效应晶体管的种类要多一些。
但是它们的工作原理基本相同,所以下面以增强型N沟道场效应晶体管为例来加以说明。
绝缘栅型场效应三极管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFET)。
分为
增强型N沟道、P沟道
耗尽型N沟道、P沟道
N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图4.1。
其中:
D(Drain)
为漏极,相当c;
G(Gate)
为栅极,相当b;
S(Source)
为源极,相当e。
&
衬底断开
B
(衬底断开是是指两个N区没有相连。
如果两个相连,靠改变沟道的宽度来控制电流就是耗尽
型)
制作过程:
(绿色部分)
在源极和漏极之间的绝缘层上镀
N沟道增强型MOSFET的符号如图所示。
左面的一个衬底在内部与源极相连,右面的一个没有连接,使用时需要在外部连接。
(衬底在内部与源极相连,所以绝缘栅MOSFET的D、S极是不能互换的。
箭头的方向仍然是
衬底和S极和D极的PN结方向,而栅极没有半导体,只是电容器的一个极板。
而结型的箭头是栅极向S极和D极的PN结方向,这就是为什么同样是N沟道,结型和绝缘栅型的箭头方向相反。
)
2N沟道增强型MOSFET的工作原理
对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理,分两个方面进行讨论,一是栅源电压Ugs对沟
道会产生影响,二是漏源电压Uds也会对沟道产生影响,从而对输出电流,即漏极电流Id产生影响
1)•栅源电压Ugs的控制作用
|电子工荃子
先令漏源电压Uds=O,加入栅源电压Ugs以后并不断增加。
UGS带给栅极正电荷,会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走,从而形成一层负离子层,即耗尽层,用绿色的区域表示。
(注:
耗尽层的载流子减少,导电能力变差)
同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷,若电子数量较多,从而在漏源之间可形成导电沟道。
显然改变Ugs就会改变沟道,从而影响Id,这说明Ugs对Id的控制作用。
当Ugs较小时,不能形成有效的沟道,尽管加有Uds,也不能形成Id。
当增加Ugs,使Id刚刚
出现时,对应的Ugs称为开启电压,用UGS(th)或Ut表示。
沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反,称为反型层。
此时若加上Uds,就会有漏极电
流Id产生。
2)•漏源电压Uds的控制作用
设Ugs>
UGS(th),增加Uds,此时沟道的变化如下
oo®
e
兰立巨于王离于负菽于
显然漏源电压会对沟道产生影响,因为源极和衬底相连接,所以加入Uds后,Uds将沿漏到源逐
渐降落在沟道内,漏极和衬底之间反偏最大,PN结的宽度最大。
所以加入Uds后,在漏源之间会形
电于三离工主複于
当Uds进一步增加时,Id会不断增加,同时,漏端的耗尽层上移,会在漏端出现夹断,这种状态
Id基本不再增加,增加的Uds基本
当Uds进一步增加时,漏端的耗尽层向源极伸展,此时
上降落在夹断区
3N沟道增强型M0SFET的特性曲线
N沟道增强型M0SFET的转移特性曲线有两条,转移特性曲线和漏极输出特性曲线
1)转移特性曲线
厶mA
N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示,它是说明栅源电压Ugs对漏极电流Id的控
制关系,可用这个关系式来表达,这条特性曲线称为转移特性曲线。
转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
gm称为跨导。
这是场效应三
极管的一个重要参数。
gm-|U^Ldsconst单位mS(mA/V)
Ugs1
2)漏极输出特性曲线
当UGs>
UGS(th),且固定为某一值时,反映UDS对Id的影响,即|D=f(UDS)UGS=const这一关
场效应三极管作为放大元件使用时,是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区,从曲线
上可以看出Uds对Id的影响很小。
但是改变Ugs可以明显改变漏极电流Id,这就意味着输入电压对
输出电流的控制作用
截止区
曲线分五个区域:
(1)可变电阻区
(2)恒流区(放大区)
(3)截止区
(4)击穿区
(5)过损耗区
从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线,过程如下:
4N沟道耗尽型MOSFET
N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定
量的正离子。
所以当Ugs=O时,这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。
于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。
当Ugs=0时,对应的漏极电流用Idss表示。
当Ugs>
0时,将使Id进一步增加。
正
电压使导电层导电能力增强。
)
UgsV0时,随着Ugs的减小漏极电流逐渐减小,直至Id=0。
对应|d=0的Ugs称为夹断电压,用
符号UGs(f)表示,有时也用Up表示。
N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如上图所示。
P沟道增强型MOSFET的结构和工作原理
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电
电压极性不同而已。
这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样
关于场效应管符号的说明j
如果是P沟道,箭头则向外。
这都是从讲的比较好的文章中摘录下来的,结型的管子道理好理解,而mos管,大多数的讲解
都如此,不能让人理解。
首先我们看一下太阳能电池,太阳能电池实际就是一个PN结。
由于PN结的掺杂性,会在内部
形成一个电势差。
通常正向导通需要0.4~0.7伏的电压就是克服内电场的。
硅管和锗管的电压不同。
而反接的时候,在没有击穿的时候,相当于一个电容器,充满电就不能导电了。
变容二极管就是这种运用。
而在太阳能电池里面,PN结是当电池使用,
在电池的外部,P区的电子会通过电阻到N区和正电何中和,这种作用会使PN结电压降低。
而扩散又会使PN结的电压升高。
当达到平衡时,会形成恒定的电流。
从能量的角度,PN结从外面吸
收能量,转化为电能,电能又通过电阻转化为热能。
下面我们来看场管的工作原理
5GD
N1-\
当场管没有加任何电压时,D极和S极有两个完全相同的PN结,这时N区的电势会比P区高,当,场管在内部把S极和衬底相连时,PN结绝对不会消失,因为PN结电压很小,实际测量只有几毫伏。
这时导线可以看成一个小电阻,不能忽略。
但可以使PN结电压降低,此时D、S两极的PN
结宽度已经不相等了,而且S极宽度较小。
ScD
0NN
当给S极和G极加上正向电压的时候,P材料和N材料就和G极构成一个电容器,由于充电效应,栅极带正电,下面相对的N型和P型材料表面就构成另一个极板,都带负电,这样整个表面就
成了一个等势面。
从而使两个N连在一起了
但是由于PN结的存在,P衬底和N绝对不会电势相等,这样由于电场的作用,就把P衬底分成
两个区。
当VGS很小时,虽然连在一起,但是并不能形成ID,因为这些负电荷被原子核吸附住了。
并不
能自由移动。
同样在PN结之间形成的耗尽层,里面的载流子也很少,只有当VGS增加到一定的程
度,下面等势面宽度变宽,负电荷增多,且有可以自由移动的电荷时,才会形成有效的电流,这就是开启电压,所以VGS能起到控制电流的作用。
我们来看一下,电容器的情况,当把一个金属块放在两个电容中间时,出现的情况。
卜十十4-++
此时的MOS管正是这种情况。
当再DS之间加上电压时,电流流过负极板这一层,会形成电压降。
使得负极板各处的电压不相等。
我们可以等效为这种情况。
把下表面看成一小块一小块的。
IHI1
IH
这样越靠近S极,两板的电势差越大,充电就越多,导电区域就越宽。
反之越靠近D极,两板
的电势差越小,充电就越少,导电区域就越窄。
下面的耗尽层这时我们不作讨论。
当ID增加到一定值时,靠近D极的一端会出现电势相等的情况,那么下表面不会感应出负电荷,
当理解了MOS管的工作原理之后,其它知识就可以循序渐进的进行学习和理解了,不管这种解释是否合理,至少是让人容易理解理解了MOS管的工作原理。
由于结构不一样,测量时也不一样。
1、增强型MOS管,
1)、没有加电压时,GS,GD、DS任意两个脚都是不通的,
2)、如果DS是导通的,不能马上认为是击穿损坏,因为如果先测量GS,因为万用表内部电压,相当于给栅极G充电,DS沟道就联通了。
这是应该将栅极G和源极S短路一下,把充电放掉,再测量,如果不通是好的,通就是击穿短路的。
2、耗尽型MOS管的测量方法
耗尽型MOS管的GS和GD都是不通的,但DS是导通的。
用万用表给GS加负电压,DS之间的电阻应该增大。
下面简述一下用C-MOS场效应管(增强型MOS场效应管)
就是将一个P沟道的增强型PMOS场效应管和N沟道的增强型NMOS场效应管组合在一起使用,叫C-MOS场效应管
电路的工作过程如下。
当输入端为低电平时,P沟道MOS场效应管导通,输出端与电源正极接
通。
当输入端为高电平时,N沟道MOS场效应管导通,输出端与电源地接通。
在该电路中,P沟道
MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作,其相位输入端和输出端相反。
很简单就组成一个反向器。
所以在大规模集成电路中使用广泛。
通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。
同时由于漏电流的影响,使得栅压在还没有
到0V,通常在栅极电压小于1到2V时,MOS场效应管既被关断。
不同场效应管其关断电压略有不同。
也正因为如此,使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。
由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程(见图10)。
工作原理
同前所述。
场效应晶体管(FieldEffectTransistor缩写(FET))简称场效应管。
一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数
载流子参与导电,它与双极型相反,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(108〜109◎)、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,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
VMOS场效应管
VMOS场效应管(VMOSFET)简称VMOS管或功率场效应管,其全称为V型槽MOS场效应管
它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。
它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高
(>108Q)、驱动电流小(左右0.1叭左右),还具有耐压高(最高可耐压1200V)、工作电流大
(1.5A〜100A)、输出功率高(1〜250W)、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。
正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身,因此在电压放大器(电压放大倍数可达数千倍)、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。
众所周知,传统的MOS场效应管的栅极、源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上,其工作电流基本上是沿水平方向流动。
VMOS管则不同,从左下图上可以看出其两大结构特点:
第一,金属
栅极采用V型槽结构;
第二,具有垂直导电性。
由于漏极是从芯片的背面引出,所以ID不是沿芯片
水平流动,而是自重掺杂N+区(源极S)出发,经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区,最后垂直向下到达漏极D。
电流方向如图中箭头所示,因为流通截面积增大,所以能通过大电流。
由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层,因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。
国内生产VMOS^效应管的主要厂家有877厂、天津半导体器件四厂、杭州电子管厂等,典型产品有VN401VN672VMPT等。