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場效應管工作原理圖-場效應管原理圖簡介、參數、作用詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-07-11 

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場效應管工作原理圖

這是該裝置的核心,在介紹該部分工作原理之前,先簡單解釋一下MOS場效應管工作原理圖。

MOS場效應管也被稱為MOSFET, 既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(金屬氧化物半導體場效應管)的縮寫。它一般有耗盡型和增強型兩種。本文使用的為增強型MOS 場效應管,其內部結構見圖5。它可分為NPN型PNP型。NPN型通常稱為N溝道型,PNP型也叫P溝道型。由圖可看出,對于N溝道的場效應管其源極和漏極接在N型半導體上,同樣對于P溝道的場效應管其源極和漏極則接在P型半導體上。我們知道一般三極管是由輸入的電流控制輸出的電流。但對于MOS場效應管工作原理圖場效應管,其輸出電流是由輸入的電壓(或稱電場)控制,可以認為輸入電流極小或沒有輸入電流,這使得該器件有很高的輸入阻抗,同時這也是我們稱之為場效應管的原因。

MOS場效應管工作原理圖

為解釋MOS

場效應管的工作原理,我們先了解一下僅含有一個P—N結的二極管的工作過程。如圖所示,我們知道在二極管加上正向電壓(P端接正極,N端接負極)時,二極管導通,其PN結有電流通過。這是因為在P型半導體端為正電壓時,N型半導體內的負電子被吸引而涌向加有正電壓的P型半導體端,而P型半導體端內的正電子則朝N型半導體端運動,從而形成導通電流。同理,當二極管加上反向電壓(P端接負極,N端接正極)時,這時在P型半導體端為負電壓,正電子被聚集在P型半導體端,負電子則聚集在N型半導體端,電子不移動,其PN結沒有電流通過,二極管截止。

MOS場效應管工作原理圖

對于MOS場效應管工作原理圖(見圖7),在柵極沒有電壓時,由前面分析可知,在源極與漏極之間不會有電流流過,此時場效應管處與截止狀態(圖7a)。當有一個正電壓加在N溝道的MOS場效應管柵極上時,由于電場的作用,此時N型半導體的源極和漏極的負電子被吸引出來而涌向柵極,但由于氧化膜的阻擋,使得電子聚集在兩個N溝道之間的P型半導體中(見圖7b),從而形成電流,使源極和漏極之間導通。我們也可以想像為兩個N型半導體之間為一條溝,柵極電壓的建立相當于為它們之間搭了一座橋梁,該橋的大小由柵壓的大小決定。圖8給出了P溝道的MOS場效應管的工作過程,其工作原理類似這里不再重復。

MOS場效應管工作原理圖

下面簡述一下用C-MOS場效應管(增強型MOS 場效應管)組成的應用電路的工作過程(見圖9)。電路將一個增強型P溝道MOS場效應管和一個增強型N溝道MOS場效應管組合在一起使用。當輸入端為低電平時,P溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源正極接通。當輸入端為高電平時,N溝道MOS場效應管導通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應管和N溝道MOS場效應管工作原理圖MOS場效應管總是在相反的狀態下工作,其相位輸入端和輸出端相反。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時由于漏電流的影響,使得柵壓在還沒有到0V,通常在柵極電壓小于1到2V時,MOS場效應管既被關斷。不同場效應管其關斷電壓略有不同。也正因為如此,使得該電路不會因為兩管同時導通而造成電源短路。

MOS場效應管工作原理圖

場效應管三個極

效應管是只有一種載流子參與導電,用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結型場效應三極管JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導體三極管MOSFET(Metal Oxide SemIConductor FET)。MOS場效應管有增強型(Enhancement MOS 或EMOS)和耗盡型(Depletion)MOS或DMOS)兩大類,每一類有N溝道和P溝道兩種導電類型。

場效應管有三個電極:

D(Drain) 稱為漏極,相當雙極型三極管的集電極;

G(Gate) 稱為柵極,相當于雙極型三極管的基極;

S(Source) 稱為源極,相當于雙極型三極管的發射極。

MOS場效應管工作原理圖


增強型MOS場效應管

道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構,它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層,然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區,從N型區引出電極,一個是漏極D,一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極 G。P型半導體稱為襯底(substrat),用符號B表示。

工作原理

1.溝道形成原理

當Vgs=0 V時,漏源之間相當兩個背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓,不會在D、S間形成電流。


當柵極加有電壓時,若0<Vgs<Vgs(th)時(VGS(th) 稱為開啟電壓),通過柵極和襯底間的電容作用,將靠近柵極下方的P型半導體中的空穴向下方排斥,出現了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動,但數量有限,不足以形成溝道,所以仍然不足以形成漏極電流ID。


進一步增加Vgs,當Vgs>Vgs(th)時,由于此時的柵極電壓已經比較強,在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子,可以形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子,因與P型半導體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層(inversion layer)。隨著Vgs的繼續增加,ID將不斷增加。


在Vgs=0V時ID=0,只有當Vgs>Vgs(th)后才會出現漏極電流,這種MOS管稱為增強型MOS管。


VGS對漏極電流的控制關系可用iD=f(vGS)|VDS=const這一曲線描述,稱為轉移特性曲線,見圖。

MOS場效應管工作原理圖

轉移特性曲線斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V,所以gm也稱為跨導。


跨導的定義式如下:

MOS場效應管工作原理圖

gm=△ID/△VGS|(單位mS)


2. Vds對溝道導電能力的控制

當Vgs>Vgs(th),且固定為某一值時,來分析漏源電壓Vds對漏極電流ID的影響。Vds的不同變化對溝道的影響如圖所示。

MOS場效應管工作原理圖

根據此圖可以有如下關系:

VDS=VDG+VGS= —VGD+VGS

VGD=VGS—VDS


當VDS為0或較小時,相當VGD>VGS(th),溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處,溝道達到開啟的程度以上,漏源之間有電流通過。


當VDS 增加到使VGD=VGS(th)時,相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況,稱為預夾斷,此時的漏極電流ID基本飽和。


當VDS增加到 VGD


當VGS>VGS(th),且固定為某一值時,VDS對ID的影響,即iD=f(vDS)|VGS=const這一關系曲線如圖所示。


這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。

MOS場效應管工作原理圖

伏安特性

1. 非飽和區

非飽和區(Nonsaturation Region)又稱可變電阻區,是溝道未被預夾斷的工作區。由不等式VGS>VGS(th)、VDS


2.飽和區

飽和區(Saturation Region)又稱放大區,是溝道預夾斷后所對應的工作區。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達式:


在這個工作區內,ID受VGS控制??紤]厄爾利效應的ID表達式:


3.截止區和亞閾區

VGS


4.擊穿區

當VDS 增大到足以使漏區與襯底間PN結引發雪崩擊穿時,ID迅速增加,管子進入擊穿區。


場效應管的主要參數

① 開啟電壓VGS(th) (或VT)

開啟電壓是MOS增強型管的參數,柵源電壓小于開啟電壓的絕對值,場效應管不能導通。


② 夾斷電壓VGS(off) (或VP)

夾斷電壓是耗盡型FET的參數,當VGS=VGS(off) 時,漏極電流為零。


③ 飽和漏極電流IDSS

耗盡型場效應三極管,當VGS=0時所對應的漏極電流。


④ 輸入電阻RGS

場效應三極管的柵源輸入電阻的典型值,對于結型場效應三極管,反偏時RGS約大于107Ω,對于絕緣柵場型效應三極管,RGS約是109~1015Ω。


⑤ 低頻跨導gm

低頻跨導反映了柵壓對漏極電流的控制作用,這一點與電子管的控制作用十分相像。gm可以在轉移特性曲線上求取,單位是mS(毫西門子)。


⑥ 最大漏極功耗PDM

最大漏極功耗可由PDM=VDS ID決定,與雙極型三極管的PCM相當


定性判斷MOS型場效應管的好壞

先用萬用表R×10kΩ擋(內置有9V或15V電池),把負表筆(黑)接柵極(G),正表筆(紅)接源極(S)。給柵、源極之間充電,此時萬用表指針有輕微偏轉。再改用萬用表R×1Ω擋,將負表筆接漏極(D),正筆接源極(S),萬用表指示值若為幾歐姆,則說明場效應管是好的。


定性判斷結型場效應管的電極

將萬用表撥至R×100檔,紅表筆任意接一個腳管,黑表筆則接另一個腳管,使第三腳懸空。若發現表針有輕微擺動,就證明第三腳為柵極。欲獲得更明顯的觀察效果,還可利用人體靠近或者用手指觸摸懸空腳,只要看到表針作大幅度偏轉,即說明懸空腳是柵極,其余二腳分別是源極和漏極。


判斷理由:

JFET的輸入電阻大于100MΩ,并且跨導很高,當柵極開路時空間電磁場很容易在柵極上感應出電壓信號,使管子趨于截止,或趨于導通。若將人體感應電壓直接加在柵極上,由于輸入干擾信號較強,上述現象會更加明顯。如表針向左側大幅度偏轉,就意味著管子趨于截止,漏-源極間電阻RDS增大,漏-源極間電流減小IDS。反之,表針向右側大幅度偏轉,說明管子趨向導通,RDS↓,IDS↑。但表針究竟向哪個方向偏轉,應視感應電壓的極性(正向電壓或反向電壓)及管子的工作點而定。


注意事項:

(1)試驗表明,當兩手與D、S極絕緣,只摸柵極時,表針一般向左偏轉。但是,如果兩手分別接觸D、S極,并且用手指摸住柵極時,有可能觀察到表針向右偏轉的情形。其原因是人體幾個部位和電阻對場效應管起到偏置作用,使之進入飽和區。


(2)也可以用舌尖舔住柵極,現象同上。


晶體三極管管腳判別

三極管是由管芯(兩個PN結)、三個電極和管殼組成,三個電極分別叫集電極c、發射極e和基極b,目前常見的三極管是硅平面管,又分PNP和NPN型兩類?,F在鍺合金管已經少見了。


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MOS場效應管工作原理圖

MOS場效應管工作原理圖