网站后台版权,网页微信版官网登录不扫码,网站的定位与功能,山西网站开发有限公司一、基本概念 MOS 管#xff0c;或MOSFET#xff0c;全称是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor#xff08;金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管#xff09;。和三极管利用电流控制电流不同#xff0c;它是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。和三级…一、基本概念 MOS 管或MOSFET全称是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管。和三极管利用电流控制电流不同它是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。和三级管一样它主要有三个电极分别是栅极G、源极S和漏极D。其工作原理基于半导体表面的电场效应当在栅极施加合适的电压时会在半导体沟道中形成或改变导电通道从而控制源极和漏极之间的电流大小。 二、 结型场效应管和绝缘栅型场效应管 要了解MOS管首先要了解什么是场效应管。场效应晶体管的基本构造普遍包含三个部分即源极、漏极和栅极。按结构可以分为结型场效应管在这里只简单介绍、绝缘栅型场效应管MOS管。 注意关于P型半导体和N型半导体可以参考 电子元器件与电路之-二极管的介绍和作用 里面有对PN结的详细解释。 结型场效应管Junction Field-Effect Transistor简称 JFET在 N 型硅基片两侧各作一个高浓度的 P 型区形成两个 PN 结并联在一起引出电极称为栅极 G两端引出两条极线分别为源极 S 和漏极 D中间部分称为 N 沟道 是导电沟道耗尽层为N型半导体的称为N沟道 。 N 沟道 JFET电子是主要的载流子当栅极电压为负时相对于源极栅极下方的 N 型半导体区域会形成耗尽层从而减少沟道的宽度和导电性进而控制漏极和源极之间的电流。随着栅极负电压的增大耗尽层变宽沟道电阻增大漏极电流减小反之栅极负电压减小时耗尽层变窄沟道电阻减小漏极电流增大。 同理若在 P 型硅基片两侧各作一个高浓度的 N 型区则形成 P 沟道结型场效应管耗尽层为P型半导体的称为P沟道。 P 沟道 JFET空穴是主要的载流子栅极电压为正时才会形成耗尽层并控制电流。当栅极正电压增大时耗尽层变宽沟道电阻增大漏极电流减小栅极正电压减小时耗尽层变窄沟道电阻减小漏极电流增大。 绝缘栅型场效应管Insulated Gate Field Effect Transistor通常简称 MOSFET因为这种结构的场效应管使用最广泛日常所说的场效应管一般是指这种即MOS管。
绝缘栅型场效应管有两种结构形式分别是N沟道型MOS场效应管和P沟道型MOS场效应管。这和上面介绍的结型场效应管类似。同时每种类型又分为增强型和耗尽型两种。 在实际应用中以 增强型NMOS 和 增强型PMOS 为主。所以通常提到NMOS和PMOS指的就是这两种。
增强型管栅极-源极电压 Vgs 为零时漏极电流也为零。这种类型使用最简单符合人们习惯因此日常使用以这种为主。耗尽型管栅极-源极电压 Vgs 为零时漏极电流不为零。
下面以N沟道型MOS管来说明MOS管的结构和原理
1.N沟道增强型MOS管 基本结构N沟道增强型MOS管是以一块掺杂浓度较低的P型硅材料作为衬底在它的表面两端分别制成两个高掺杂浓度的N区然后在P型硅表面生成一层很薄的二氧化硅SiO2绝缘层并在二氧化硅的表面及两N型区的表面分别安置3个铝电极——栅极G、源极S、漏极D就成了N沟道MOS管。通常将衬底B与源极S接在一起使用。这就是“金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管”名字的由来。 工作原理当栅源电压 uGS0 时漏源之间没有导电沟道漏极电流 iD 等于零。当栅极与源极之间加上一个小的正向电压 uGS 时在 SiO₂的绝缘层中产生一个垂直于半导体表面、由栅极指向 P 型衬底的电场这个电场排斥空穴而吸引电子使靠近二氧化硅一侧 P 型材料中的空穴被排斥形成耗尽层。当栅源电压 uGS 增大到一定值后在 P 型材料的表面靠近绝缘层附近感应出许多自由电子形成一个 N 型薄层可以理解为中间部分的P型变成了N型将左右两块N型区域连在一起即 “反型层”就构成了漏源之间的导电沟道其厚度随着栅源电压 uGS 进一步增大而增加。当漏源之间形成导电沟道后如果加上正的漏源电压 uDS便产生漏极电流 iD 。在漏源电压作用下开始产生漏极电流 iD 此时的栅源电压称为开启电压 UT。 沟道越厚导电沟道电阻越小。 2.N沟道耗尽型MOS管
基本结构N沟道耗尽型MOS管的结构与N沟道增强型MOS管的结构相似。N沟道增强型MOS管在uGs0时没有导电沟道只有当uGs增大到UTH时才形成导电沟道。而N沟道耗尽型MOS管在UGs0时就存在原始导电沟道它的导电沟道是在制造工艺过程中形成的。通常在SiO2绝缘层形成过程中掺人一些金属正离子由于正离子的作用产生了一个垂直于P型衬底的纵向电场使漏、源之间的P型衬底表面上感应出较多的电子形成N型反型层原始导电沟道。 工作原理由于在制造工艺过程中已经形成了原始导电沟道所以当 UGS0 时就有漏极电流存在。当 UGS 在一定范围内变化时导电沟道的宽度会相应地改变从而控制漏极电流的大小。当 UGS 减小到夹断电压 UP 时导电沟道被夹断漏极电流趋近于零。
3.P 沟道 MOS 管如果在制造时把衬底改为 N 型漏极与源极为 P 型则可构成 P 沟道增强型或耗尽型场效应管其工作原理与 N 型沟道场效应管相同但使用时 UGG、UDD 的极性应与 N 沟道 MOS 管相反这里不再赘述。
三、N沟道增强型MOS管的输出特性曲线
MOS管的输出特性可以分为三个区夹断区(截止区)、恒流区、可变电阻区。 1.可变电阻区 在图中靠近纵轴轴的区域是可变电阻区。 在此区域内当较小时与近似呈线性关系MOS管相当于一个受控制的可变电阻。公式表示为 其中是随变化的等效电阻。
2.恒流区饱和区 在可变电阻区的右侧是恒流区。当增大到一定程度时不再随增加而增加而是保持恒定形成恒流特性。此时主要由决定公式为
在饱和区
其中是时的值。
3.夹断区截止区 在图的最左侧靠近原点的区域是夹断区。 当阈值电压时沟道没有形成MOS管处于截止状态。
4.预夹断轨迹 在可变电阻区与恒流区之间有一条预夹断轨迹。这条轨迹表示从可变电阻区过渡到恒流区的边界此时的值刚好使沟道在漏端夹断。
5.不同Ugs的特性
图中有几条不同值对应的曲线。 随着的增大如等
在可变电阻区曲线的斜率增大意味着等效电阻减小。 在恒流区的值增大因为与成正比。例如当时在夹断区。当逐渐增大到和时在恒流区逐渐增大且曲线在可变电阻区的斜率也逐渐增大。
可变电阻区表现为受控电阻特性恒流区表现为电流源特性夹断区表现为截止特性预夹断轨迹则是两个主要工作区域的过渡边界。这些特性使得MOS管在电子电路中得到广泛应用如放大器、开关电路等。
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四、MOS 管的主要参数
N沟道增强型MOS管的主要参数如下 一、直流参数
1. 开启电压当为某一固定值通常为10V时使开始出现一般规定为时的值。 它是MOS管导通的临界栅源电压开启电压的大小决定了MOS管能否导通。例如在数字电路中当高于时MOS管才能从截止状态进入导通状态实现逻辑电平的转换。
2. 直流输入电阻在栅源极之间加一定直流电压时栅源极之间的直流电阻。 由于栅极与沟道之间有一层绝缘的二氧化硅所以非常大一般在以上。这使得MOS管的栅极电流极小几乎不消耗输入信号的功率非常适合作为电压控制型器件用于放大电路。
3. 漏极饱和电流当且足够大使MOS管进入饱和区时的漏极电流。 而对于增强型MOS管因为在时增强型MOS管处于截止状态。
二、交流参数
1. 跨导漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压微变量之比即。 跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。在放大电路中越大MOS管的电压放大倍数越高。例如在共源放大电路中电压放大倍数为等效负载电阻所以较大的有助于提高放大电路的增益。
2. 极间电容输入电容、输出电容和反馈电容。这些电容是由于MOS管结构中存在的PN结电容和栅极与沟道之间的电容形成的。 在高频电路中这些电容会影响信号的传输和放大导致放大倍数下降和信号失真。例如当信号频率较高时电容的容抗减小会使信号在电容上产生较大的压降从而影响电路的性能。
三、极限参数
1. 最大漏极电流MOS管正常工作时允许通过的最大漏极电流。 如果超过可能会导致MOS管过热甚至损坏所以在设计电路时要确保不超过此值。
2. 最大漏源电压漏源极之间所能承受的最大电压。当超过时可能会使MOS管的PN结发生击穿导致器件失效。例如在电源电路中要根据电源电压合理选择MOS管使其大于电源电压。
3. 最大栅源电压栅源极之间所能承受的最大电压。如果超过可能会使栅极氧化层被击穿损坏MOS管。在实际应用中要注意对栅极电压的控制避免超过此极限值。
五、MOS管的特性
输入电阻高由于栅极与沟道之间被绝缘层隔离栅极电流极小输入电阻可高达 10⁹Ω 以上这使得 MOSFET 对前级信号源的影响极小能够有效地实现信号的放大和控制。输出电阻低其输出电阻相对较低能够较好地驱动负载在各种放大电路和开关电路中都有重要应用。跨导特性跨导 gm 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力在一定的工作范围内MOSFET 的跨导基本保持恒定这使得它在放大电路中能够提供较为稳定的增益。开关特性好MOSFET 的开关速度快能够在纳秒级甚至更短的时间内完成从截止到导通或从导通到截止的转换因此在数字电路和高频电路中得到了广泛应用。温度稳定性较好与双极型晶体管相比MOSFET 的温度稳定性相对较好其主要参数如阈值电压、跨导等随温度的变化较小在较宽的温度范围内能够保持较为稳定的性能。
优点功耗低在静态时由于栅极电流极小MOSFET 几乎不消耗功率在动态工作时其导通电阻较低功耗也相对较小因此非常适合于低功耗的应用场合如便携式电子设备、电池供电的系统等。易于集成MOSFET 的制造工艺与集成电路工艺兼容可以方便地在同一芯片上集成大量的 MOSFET 以及其他电子元件从而实现各种复杂的电路功能如微处理器、存储器等是现代大规模集成电路的基础之一。驱动能力强MOSFET 的输出电流较大能够直接驱动一些需要较大功率的负载如电机、继电器等在功率电子学领域有着广泛的应用。噪声系数低其噪声主要来源于热噪声和散粒噪声由于栅极电流极小散粒噪声可以忽略不计因此 MOSFET 的噪声系数相对较低在对噪声要求较高的电路中如音频放大器、通信电路等具有较好的性能表现。
缺点输入电容较大由于栅极与沟道之间存在绝缘层形成了较大的栅源电容 CGS 和栅漏电容 CGD这会影响 MOSFET 的高频特性在高频电路中需要考虑电容的充放电时间可能会导致信号延迟和失真。抗静电能力弱MOSFET 的输入电阻极高栅极上的 SiO₂绝缘层又很薄容易受到外界静电的影响而产生击穿现象导致器件损坏。因此在使用和存储 MOSFET 时需要采取相应的防静电措施如将各极引线短接、使用防静电包装等。阈值电压易受工艺影响MOSFET 的阈值电压与制造工艺密切相关工艺参数的微小变化可能会导致阈值电压的较大波动从而影响器件的性能一致性。在大规模集成电路中需要严格控制工艺参数以保证各个 MOSFET 的阈值电压在一定的范围内波动。
六、在电路中的作用
模拟电路在音频放大器、射频放大器、运算放大器等模拟电路中MOSFET 作为放大器件能够提供高增益、低噪声的性能广泛应用于音响设备、通信设备、仪器仪表等领域。数字电路作为数字逻辑电路中的基本开关元件MOSFET 构成了各种逻辑门电路、触发器、计数器等是现代计算机、数字通信、数字信号处理等领域的核心器件之一。其高速开关特性和低功耗特点使得数字电路能够实现更高的工作频率和更低的能耗。功率电子学在电源管理电路、电机驱动电路、逆变电路等功率电子学领域MOSFET 作为功率开关器件能够实现高效的电能转换和控制广泛应用于各种电子设备的电源适配器、电动汽车、光伏发电系统等。集成电路MOSFET 是现代集成电路的基础器件之一大量的 MOSFET 集成在一起构成了各种复杂的芯片如微处理器、存储器、图形处理器等。
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