完整版对场效应管工作原理的理解.docx

1、完整版对场效应管工作原理的理解如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难 度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可 能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。场效应管的结构场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管 制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，至恸米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方 面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负 载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能

2、。结型场效应管的结构结型场效应管又叫JFET,只有耗尽型。这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为 N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块 N型硅，材料（沟道）上引出两个电极，分别为源极（S）和漏极（D）。在 它的两边各附一小片 P型材料并引出一个电极，称为栅极 （G）。这样在沟道和栅极间便形成了两个 PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果 在漏极及源极之间加上电压 Uds，就有电流流过，Id将随Uds的增大而增大。如果给管子加上负偏差 Ugs时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区 （如图a中阴影

3、区所示）。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到 了利用反向偏压所产生的电场来控制 N型硅片（沟道）中的电流大小的目的。注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。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

4、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

5、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 （ Metal Oxide Semiconductor FET）。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(Drai n)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

6、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。 ）2 N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

7、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I

8、d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o o 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3 N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

9、移特性曲线和漏极输出特性曲线1）转移特性曲线厶mAN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 -|ULds const 单位 mS( mA/V)Ugs 12)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U

10、ds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:4 N沟道耗尽型MOSFETN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。(注：正电压使导电层导电能力增强

11、。)UgsV 0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

12、。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 0.40.7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5 G DN 1-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

13、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。S c D0 N N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

14、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。I HI 1IH这样越靠近S极，两板的电势差越大，

15、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

16、。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M

17、OS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（Field Effect Transistor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

18、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（108109 ）、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

19、作电流大（1.5A100A）、输出功率高（1250W）、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 VN401 VN672 VMPT等。