對場效應(yīng)管工作原理的理解_第1頁
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./如何理解場效應(yīng)管的原理,大多數(shù)書籍和文章都講的晦澀難懂,給初學(xué)的人學(xué)習(xí)造成很大的難度,要深入學(xué)習(xí)就越感到困難,本人以自己的理解加以解釋,希望對初學(xué)的人有幫助,即使認(rèn)識可能不是很正確,但對學(xué)習(xí)肯定有很大的幫助。場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)場效應(yīng)管是電壓控制器件,功耗比較低。而三極管是電流控制器件,功耗比較高。但場效應(yīng)管制作工藝比三極管復(fù)雜,不過可以做得很小,到納米級大小。所以在大規(guī)模集成電路小信號處理方面得到廣泛的應(yīng)用。對大電流功率器件處理比較困難,不過目前已經(jīng)有雙場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)增加電流負(fù)載能力,也有大功率場管出現(xiàn),大有取代三極管的趨勢。場效應(yīng)管具有很多比三極管優(yōu)越的性能。結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)管又叫JFET,只有耗盡型。這里以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例,說明結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)及基本工作原理。圖為N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)示意圖。在一塊N型硅,材料<溝道>上引出兩個(gè)電極,分別為源極<S>和漏極<D>。在它的兩邊各附一小片P型材料并引出一個(gè)電極,稱為柵極<G>。這樣在溝道和柵極間便形成了兩個(gè)PN結(jié)。當(dāng)柵極開路時(shí),溝道相當(dāng)于一個(gè)電阻,其阻值隨型號而不同,一般為數(shù)百歐至數(shù)千歐。如果在漏極及源極之間加上電壓UDs,就有電流流過,ID將隨UDS的增大而增大。如果給管子加上負(fù)偏差UGS時(shí),PN結(jié)形成空間電荷區(qū),其載流子很少,因而也叫耗盡區(qū)<如圖a中陰影區(qū)所示>。其性能類似于絕緣體,反向偏壓越大,耗盡區(qū)越寬,溝道電阻就越大,電流減小,甚至完全截止。這樣就達(dá)到了利用反向偏壓所產(chǎn)生的電場來控制N型硅片<溝道>中的電流大小的目的。注:實(shí)際上溝道的摻雜濃度非常小,導(dǎo)電能力比較低,所以有幾百到幾千歐導(dǎo)通電阻。而且是PN結(jié)工作在反向偏置的狀態(tài)。剛開機(jī)時(shí),如果負(fù)偏置沒有加上,此時(shí)ID是最大的。特點(diǎn):1,GS和GD有二極管特性,正向?qū)?反向電阻很大2:DS也是導(dǎo)通特性,阻抗比較大3:GS工作在反向偏置的狀態(tài)。4:DS極完全對稱,可以反用,即D當(dāng)做S,S當(dāng)做D。從以上介紹的情況看,可以把場效應(yīng)管與一般半導(dǎo)體三極管加以對比,即柵極相當(dāng)于基極,源極相當(dāng)于發(fā)射極,漏極相當(dāng)于集電極。如果把硅片做成P型,而柵極做成N型,則成為P溝道結(jié)型場效應(yīng)管。結(jié)型場效應(yīng)管的符號如圖b所示。符號:箭頭的方向仍然是PN結(jié)正向?qū)ǖ姆较?。絕緣柵場效應(yīng)管MOSFET結(jié)型雖然電壓控制方式,但是仍然有少子的飄移形成電流。絕緣柵場效應(yīng)管是柵極與襯底完全絕緣,所以叫絕緣柵場效應(yīng)管。絕緣柵型場效應(yīng)晶體管在集成電路中被廣泛使用,絕緣柵場效應(yīng)晶體管<MOSFET>分為增強(qiáng)型和耗盡型兩大類,每類中又有N溝道和P溝道之分,N溝道又叫PMOS管,P溝道又叫NMOS管。不象雙極型晶體管只有NPN和PNP兩類,場效應(yīng)晶體管的種類要多一些。但是它們的工作原理基本相同,所以下面以增強(qiáng)型N溝道場效應(yīng)晶體管為例來加以說明。絕緣柵型場效應(yīng)三極管MOSFET<MetalOxideSemiconductorFET>。分為增強(qiáng)型N溝道、P溝道耗盡型N溝道、P溝道N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見圖4.1。其中:D<Drain>為漏極,相當(dāng)c;G<Gate>為柵極,相當(dāng)b;S<Source>為源極,相當(dāng)e?!惨r底斷開是是指兩個(gè)N區(qū)沒有相連。如果兩個(gè)相連,靠改變溝道的寬度來控制電流就是耗盡型制作過程:取一塊P型半導(dǎo)體作為襯底,用B表示。用氧化工藝生成一層SiO2薄膜絕緣層。然后用光刻工藝腐蝕出兩個(gè)孔。擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)。從而形成兩個(gè)PN結(jié)?!簿G色部分從N型區(qū)引出電極,一個(gè)是漏極D,一個(gè)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。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的符號如圖所示。左面的一個(gè)襯底在部與源極相連,右面的一個(gè)沒有連接,使用時(shí)需要在外部連接?!惨r底在部與源極相連,所以絕緣柵MOSFET的D、S極是不能互換的。箭頭的方向仍然是襯底和S極和D極的PN結(jié)方向,而柵極沒有半導(dǎo)體,只是電容器的一個(gè)極板。而結(jié)型的箭頭是柵極向S極和D極的PN結(jié)方向,這就是為什么同樣是N溝道,結(jié)型和絕緣柵型的箭頭方向相反。2N溝道增強(qiáng)型MOSFET的工作原理對N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)三極管的工作原理,分兩個(gè)方面進(jìn)行討論,一是柵源電壓UGS對溝道會產(chǎn)生影響,二是漏源電壓UDS也會對溝道產(chǎn)生影響,從而對輸出電流,即漏極電流ID產(chǎn)生影響。1.柵源電壓UGS的控制作用先令漏源電壓UDS=0,加入柵源電壓UGS以后并不斷增加。UGS帶給柵極正電荷,會將正對SiO2層的表面下的襯底中的空穴推走,從而形成一層負(fù)離子層,即耗盡層,用綠色的區(qū)域表示。〔注:耗盡層的載流子減少,導(dǎo)電能力變差同時(shí)會在柵極下的表層感生一定的電子電荷,若電子數(shù)量較多,從而在漏源之間可形成導(dǎo)電溝道。顯然改變UGS就會改變溝道,從而影響ID,這說明UGS對ID的控制作用。當(dāng)UGS較小時(shí),不能形成有效的溝道,盡管加有UDS,也不能形成ID。當(dāng)增加UGS,使ID剛剛出現(xiàn)時(shí),對應(yīng)的UGS稱為開啟電壓,用UGS<th>或UT表示。溝道中的電子和P型襯底的多子導(dǎo)電性質(zhì)相反,稱為反型層。此時(shí)若加上UDS,就會有漏極電流ID產(chǎn)生。2.漏源電壓UDS的控制作用設(shè)UGS>UGS<th>,增加UDS,此時(shí)溝道的變化如下。顯然漏源電壓會對溝道產(chǎn)生影響,因?yàn)樵礃O和襯底相連接,所以加入U(xiǎn)DS后,UDS將沿漏到源逐漸降落在溝道,漏極和襯底之間反偏最大,PN結(jié)的寬度最大。所以加入U(xiǎn)DS后,在漏源之間會形成一個(gè)傾斜的PN結(jié)區(qū),從而影響溝道的導(dǎo)電性。當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí),ID會不斷增加,同時(shí),漏端的耗盡層上移,會在漏端出現(xiàn)夾斷,這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。當(dāng)UDS進(jìn)一步增加時(shí),漏端的耗盡層向源極伸展,此時(shí)ID基本不再增加,增加的UDS基本上降落在夾斷區(qū)。3N溝道增強(qiáng)型MOSFET的特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線有兩條,轉(zhuǎn)移特性曲線和漏極輸出特性曲線。1>轉(zhuǎn)移特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如左圖所示,它是說明柵源電壓UGS對漏極電流ID的控制關(guān)系,可用這個(gè)關(guān)系式來表達(dá),這條特性曲線稱為轉(zhuǎn)移特性曲線。轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm稱為跨導(dǎo)。這是場效應(yīng)三極管的一個(gè)重要參數(shù)。單位mS〔mA/V2>漏極輸出特性曲線當(dāng)UGS>UGS<th>,且固定為某一值時(shí),反映UDS對ID的影響,即ID=f<UDS>UGS=const這一關(guān)系曲線稱為漏極漏極輸出特性曲線。場效應(yīng)三極管作為放大元件使用時(shí),是工作在漏極輸出特性曲線水平段的恒流區(qū),從曲線上可以看出UDS對ID的影響很小。但是改變UGS可以明顯改變漏極電流ID,這就意味著輸入電壓對輸出電流的控制作用。曲線分五個(gè)區(qū)域:〔1可變電阻區(qū)〔2恒流區(qū)〔放大區(qū)〔3截止區(qū)〔4擊穿區(qū)〔5過損耗區(qū)從漏極輸出特性曲線可以得到轉(zhuǎn)移特性曲線,過程如下:4N溝道耗盡型MOSFETN溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如下圖所示,它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了一定量的正離子。所以當(dāng)UGS=0時(shí),這些正離子已經(jīng)感生出電子形成導(dǎo)電溝道。于是,只要有漏源電壓,就有漏極電流存在。當(dāng)UGS=0時(shí),對應(yīng)的漏極電流用IDSS表示。當(dāng)UGS>0時(shí),將使ID進(jìn)一步增加?!沧ⅲ赫妷菏箤?dǎo)電層導(dǎo)電能力增強(qiáng)。UGS<0時(shí),隨著UGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應(yīng)ID=0的UGS稱為夾斷電壓,用符號UGS<off>表示,有時(shí)也用UP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如上圖所示。P溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過導(dǎo)電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。這都是從講的比較好的文章中摘錄下來的,結(jié)型的管子道理好理解,而mos管,大多數(shù)的講解都如此,不能讓人理解。首先我們看一下太陽能電池,太陽能電池實(shí)際就是一個(gè)PN結(jié)。由于PN結(jié)的摻雜性,會在部形成一個(gè)電勢差。通常正向?qū)ㄐ枰?.4~0.7伏的電壓就是克服電場的。硅管和鍺管的電壓不同。而反接的時(shí)候,在沒有擊穿的時(shí)候,相當(dāng)于一個(gè)電容器,充滿電就不能導(dǎo)電了。變?nèi)荻O管就是這種運(yùn)用。而在太陽能電池里面,PN結(jié)是當(dāng)電池使用,在電池的外部,P區(qū)的電子會通過電阻到N區(qū)和正電荷中和,這種作用會使PN結(jié)電壓降低。而擴(kuò)散又會使PN結(jié)的電壓升高。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí),會形成恒定的電流。從能量的角度,PN結(jié)從外面吸收能量,轉(zhuǎn)化為電能,電能又通過電阻轉(zhuǎn)化為熱能。下面我們來看場管的工作原理當(dāng)場管沒有加任何電壓時(shí),D極和S極有兩個(gè)完全相同的PN結(jié),這時(shí)N區(qū)的電勢會比P區(qū)高,當(dāng),場管在部把S極和襯底相連時(shí),PN結(jié)絕對不會消失,因?yàn)镻N結(jié)電壓很小,實(shí)際測量只有幾毫伏。這時(shí)導(dǎo)線可以看成一個(gè)小電阻,不能忽略。但可以使PN結(jié)電壓降低,此時(shí)D、S兩極的PN結(jié)寬度已經(jīng)不相等了,而且S極寬度較小。當(dāng)給S極和G極加上正向電壓的時(shí)候,P材料和N材料就和G極構(gòu)成一個(gè)電容器,由于充電效應(yīng),柵極帶正電,下面相對的N型和P型材料表面就構(gòu)成另一個(gè)極板,都帶負(fù)電,這樣整個(gè)表面就成了一個(gè)等勢面。從而使兩個(gè)N連在一起了。但是由于PN結(jié)的存在,P襯底和N絕對不會電勢相等,這樣由于電場的作用,就把P襯底分成兩個(gè)區(qū)。當(dāng)VGS很小時(shí),雖然連在一起,但是并不能形成ID,因?yàn)檫@些負(fù)電荷被原子核吸附住了。并不能自由移動。同樣在PN結(jié)之間形成的耗盡層,里面的載流子也很少,只有當(dāng)VGS增加到一定的程度,下面等勢面寬度變寬,負(fù)電荷增多,且有可以自由移動的電荷時(shí),才會形成有效的電流,這就是開啟電壓,所以VGS能起到控制電流的作用。我們來看一下,電容器的情況,當(dāng)把一個(gè)金屬塊放在兩個(gè)電容中間時(shí),出現(xiàn)的情況。此時(shí)的MOS管正是這種情況。當(dāng)再DS之間加上電壓時(shí),電流流過負(fù)極板這一層,會形成電壓降。使得負(fù)極板各處的電壓不相等。我們可以等效為這種情況。把下表面看成一小塊一小塊的。這樣越靠近S極,兩板的電勢差越大,充電就越多,導(dǎo)電區(qū)域就越寬。反之越靠近D極,兩板的電勢差越小,充電就越少,導(dǎo)電區(qū)域就越窄。下面的耗盡層這時(shí)我們不作討論。當(dāng)ID增加到一定值時(shí),靠近D極的一端會出現(xiàn)電勢相等的情況,那么下表面不會感應(yīng)出負(fù)電荷,出現(xiàn)溝道斷開的現(xiàn)象,這就是預(yù)夾斷。當(dāng)ID繼續(xù)增加,就出現(xiàn)完全夾斷的情況。當(dāng)理解了MOS管的工作原理之后,其它知識就可以循序漸進(jìn)的進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解了,不管這種解釋是否合理,至少是讓人容易理解理解了MOS管的工作原理。由于結(jié)構(gòu)不一樣,測量時(shí)也不一樣。1、增強(qiáng)型MOS管,1、沒有加電壓時(shí),GS,GD、DS任意兩個(gè)腳都是不通的,2、如果DS是導(dǎo)通的,不能馬上認(rèn)為是擊穿損壞,因?yàn)槿绻葴y量GS,因?yàn)槿f用表部電壓,相當(dāng)于給柵極G充電,DS溝道就聯(lián)通了。這是應(yīng)該將柵極G和源極S短路一下,把充電放掉,再測量,如果不通是好的,通就是擊穿短路的。2、耗盡型MOS管的測量方法耗盡型MOS管的GS和GD都是不通的,但DS是導(dǎo)通的。用萬用表給GS加負(fù)電壓,DS之間的電阻應(yīng)該增大。下面簡述一下用C-MOS場效應(yīng)管〔增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管就是將一個(gè)P溝道的增強(qiáng)型PMOS場效應(yīng)管和N溝道的增強(qiáng)型NMOS場效應(yīng)管組合在一起使用,叫C-MOS場效應(yīng)管電路的工作過程如下。當(dāng)輸入端為低電平時(shí),P溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源正極接通。當(dāng)輸入端為高電平時(shí),N溝道MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,輸出端與電源地接通。在該電路中,P溝道MOS場效應(yīng)管和N溝道MOS場效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作,其相位輸入端和輸出端相反。很簡單就組成一個(gè)反向器。所以在大規(guī)模集成電路中使用廣泛。通過這種工作方式我們可以獲得較大的電流輸出。同時(shí)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(shí),MOS場效應(yīng)管既被關(guān)斷。不同場效應(yīng)管其關(guān)斷電壓略有不同。也正因?yàn)槿绱?使得該電路不會因?yàn)閮晒芡瑫r(shí)導(dǎo)通而造成電源短路。由以上分析我們可以畫出原理圖中MOS場效應(yīng)管電路部分的工作過程〔見圖10。工作原理同前所述。場效應(yīng)晶體管〔FieldEffectTransistor縮寫<FET>簡稱場效應(yīng)管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電,因此稱為雙極型晶體管,而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件,具有輸入電阻高〔108~109Ω、噪聲小、功耗低、動態(tài)圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。VMOS場效應(yīng)管VMOS場效應(yīng)管〔VMOSFET簡稱VMOS管或功率場效應(yīng)管,其全稱為V型槽MOS場效應(yīng)管。它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效、功率開關(guān)器件。它不僅繼承了MOS場效應(yīng)管輸入阻抗高〔≥108Ω、驅(qū)動電流小〔左右0.1μA左右,還具有耐壓高〔最高可耐壓1200V、工作電流大〔1.5A~100A、輸出功率高〔1~250W、跨導(dǎo)的線性好、開關(guān)速度快等優(yōu)良特性。正是由于它將電子管與功率晶體管之優(yōu)點(diǎn)集于一身,因此在電壓放大器〔電壓放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千倍、功率放大器、開關(guān)電源和逆變器中正獲得廣泛應(yīng)用。眾所周知,傳統(tǒng)的MOS場效

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