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mos管直流特性與導通特性-JFET與MOS管直流特性分析比較-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-06-12 

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mos管直流特性

MOS管種類與結構

MOSFET管是FET的一種(另一種是JFET),可以被制造成增強型或耗盡型,P溝道或N溝道共4種類型,但實際應用的只有增強型的N溝道MOS 管和增強型的P溝道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是這兩種。


mos管直流特性


對于這兩種增強型MOS管,比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小,且容易制造。所以開關電源和馬達驅動的應用中,一般都用NMOS。下面的介紹中,也多以NMOS為主。MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在,這不是我們需要的,而是由于制造工藝限制產生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,后邊再詳細介紹。


在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管,在驅動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的 MOS 管中存在,在集成電路芯片內部通常是沒有的。


MOS管導通特性


mos管直流特性


導通的意思是作為開關,相當于開關閉合。NMOS 的特性,Vgs 大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到 4V 或 10V 就可以了。PMOS的特性,Vgs 小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅動)。但是,雖然PMOS 可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。


JFET與MOSFET直流特性分析和比較

場效應管是一種利用電場效應來控制其電流大小的半導體器件,根據結構的不同,場效應管可分為兩大類:結型場效應管(JEFT)和絕緣柵場效應管(MOSFET),在分析比較它們的直流特性之前,首先對它們的結構和原理作簡單的比較。JFET按導電溝道可分為N溝道和P溝型,按零柵壓(U GS =0)時器件的工作狀態,又可分為增強型(常關型)和耗盡型(常開型)兩種,因此 JFET 可以分為四種類型。


同樣的,對于MOSFET也是如此,也分為四種類型即:N溝耗盡型、N溝增強型、P溝耗盡型、P溝增強型。在下面對JFET和MOSFET的分析對比中,都以 N 溝類型的場效應管為例,進行說明其他種類的場效應管的原理與分析方法類似。


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JFET的工作原理及輸出、轉移特性

N 溝道JFET工作時 ,在柵極和源極之間需要加一負電壓(VGS<0),使得柵極、溝道間的PN結反偏,柵極電流iG≈0。在漏極與源極間加一正電壓(VDS >0),使N溝道中的多數載流子(電子)在電場作用下由源極向漏極運動,形成電流iD。其大小受VGS控制,VGS在JFET結構中主要通過控制溝道電阻,來控制ID的大小。通過設置不同的VGS和VDS便可以使得JFET工作在不同的狀態下。


當 U DS 為一定值時,漏源電流IDS的大小隨柵源電壓UGS的改變而變化,這是因為柵結耗盡層厚度是隨柵源電壓變化而變化的,因此也使得導電溝道電阻發生變化,致使ID也相應變化。如圖 1-1(a)所示的 PN 結,柵耗盡區的大部分擴展在PN結的N區一側,柵PN結上的反偏電壓越大,耗盡區就會越寬,因而使夾在上下兩耗盡區之間的導電溝道截面積減小,導電溝道電阻增加,致使通過它的電流減小。反之,會使得漏極電流變大。


當負柵壓很高時,整個溝道從源到漏被空間電荷區所占滿,此時即使在漏源之間加上偏壓,溝道中葉不會有電流通過,此時JFET處于截止狀態。


當UGS一定時,在圖1-1(a)所示的N溝JFET兩端之間加上一正電壓UDS ,由于溝道相當于一個電阻,因此此時將有電流經過溝道從漏極流向源極。當UDS增加時漏源電流也隨之增加,同時漏源電流在溝道電阻上產生的壓降也隨之增加,靠近漏極端高,源極端低。漏極端正向壓降使柵極PN結反偏,柵漏結的空間電荷區從溝道的兩邊向溝道的中心展寬,最終使漏極端溝道被夾斷。夾斷后如果漏極電壓進一步增加,U DS主要落在空間電荷層上,對溝道載流子的作用減弱,所以即使UDS 繼續增加,漏源電流也基本不變,此時處于飽和狀態。此后,若UDS 仍繼續增加至PN結反向擊穿電壓時,JFET 就會發生擊穿。


通過以上分析,可以得到JFET共源極輸出特性曲線和相應的轉移特性曲線如圖 2-1所示。


mos管直流特性


MOS管的轉移性特性

MOS 場效應管的柵極和半導體之間被氧化硅層阻隔,器件導通時只有從漏極經過溝道到源極這一條電流通路。


通過以上分析,同樣根據式(1-1)和(1-2)對輸出特性和轉移特性的定義,可以得到NMOS的輸出和轉移特性曲線如圖2-2所示:


mos管直流特性


mos管直流特性-電壓特性


mos管直流特性


mos管直流特性


mos管直流特性之直流參數

1、 飽和漏極電流IDSS

當柵源電壓UGS=0時,漏源電壓UGS大于夾斷電壓UP時對應的漏極電流。對于JFET,就是UGS=0時出現預夾斷時所對應的漏極電流。


2、 夾斷電壓UP

當漏源電壓一定時,使漏極電流iD減小到某一微小電流時所需的柵源電壓UGS的值。對于JFET和耗盡型MOSFET,夾斷電壓UP大致就是轉移特性曲線與橫軸焦點對應的UGS。


3、 開啟電壓UT

當UDS一定時,漏極電流iD達到某一數值時所需加的UGS的值。對于增強型場效應管,開啟電壓UT大致就是轉移特性曲線與橫軸焦點對應的 UGS 。開啟電壓與夾斷電壓的區別在于其針對的對象不同,開啟電壓是針對增強的MOS管而言的,而夾斷電壓時針對JFET或耗盡型MOS管而言的。


4、 直流輸入電阻RGS

R GS 是柵源電壓UGS與產生的柵極電流之比,由于場效應管的柵極幾乎沒有電流,因此輸入電阻很高。



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