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MOSFET的原理_MOS管原理_MOSFET基本工作原理_場效應管

作者:佚名    文章來源:網(wǎng)絡    點擊數(shù):    更新時間:2023/10/7

MOSFET 簡介

MOSFET就是以金屬層(M)的柵極隔著氧化層(O)利用電場的效應來控制半導體(S)的場效應晶體管,其特點是用柵極電壓來控制漏極電流

以N溝道增強型NMOSFET為例,用一塊P型硅半導體材料作襯底,在其面上擴散了兩個N型區(qū),再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2)絕緣層,最后在N區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個孔,用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內(nèi)做成三個電極:G(柵極)、S(源極)及D(漏極)

 

MOSFET 種類

按照制作工藝可以區(qū)分為為增強型、耗盡型、P溝道、N溝道共4種類型,在實際應用中,以增強型的NMOS和增強型的PMOS為主。

怎么區(qū)分是N溝道還是P溝道:中間的箭頭指向內(nèi)部的是N溝道,反之,則是P溝道

怎么區(qū)分是增強型還是耗盡型:中間是虛線的是增強型,是實線的是耗盡型

 

MOSFET 基本工作原理

通過改變柵源電壓VGS來控制溝道的導電能力,從而控制漏極電流ID。因此它是一個電壓控制型器件。轉移特性反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力 。

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(qū)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(qū)動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動中,通常還是使用NMOS。

 

增強型和耗盡型

耗盡型MOS管在G端(Gate)不加電壓時有導電溝道存在,而增強型MOS管只有在開啟后,才會出現(xiàn)導電溝道;兩者的控制方式也不一樣,耗盡型MOS管的VGS(柵極電壓)可以用正、零、負電壓控制導通,而增強型MOS管必須達到VGS(th)(柵極閾值電壓)才能導通

(1)增強型:柵極與襯底間不加電壓時,柵極下面沒有溝道存在,也就是說,對于NMOS,閾值電壓大于0;PMOS,小于0。

(2)耗盡型:柵極與襯底間不加電壓時,柵極下面已有溝道存在,也就是說,對于NMOS,閾值電壓小于0;PMOS,大于0。

 

N MOS增強型

(1)當VGS=0時管子是呈截止狀態(tài);

(2)若0<VGS<VGS(th)時,不足以形成導電溝道將漏極和源極溝通,所以仍然不足以形成漏極電流ID;

(3)當VGS>VGS(th)時( VGS(th)稱為開啟電壓),可以形成導電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。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。

 

N MOS耗盡型

(1)當VGS=0時,導電溝道已經(jīng)存在,管子是呈導通狀態(tài),只要有漏源電壓,就有漏極電流存在;

(2)若VGS > 0 時,將使ID進一步增加;

(3)當VGS < VGS(off )時( VGS(off )稱為夾斷電壓),當VGS<0時,隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。

 

N MOS工作狀態(tài)

(1)當 VGS < VGS(th) 時,截止區(qū);

(2)若VGS > VGS(th) 時, VDS < VGS- VGS(th), 變阻區(qū);

(3)若VGS > VGS(th) 時, VDS > VGS- VGS(th),飽和區(qū)(恒流區(qū))。

當MOS管 工作在變阻區(qū)內(nèi)時,其溝道是“暢通”的,相當于一個導體。在 VDS < VGS- VGS(th)時近似滿足V-I的線性關系,即有一個近似固定的阻值。此阻值受 VGS控制,故稱變阻區(qū)域。

MOS管 工作在飽和區(qū)(恒流區(qū))與 BJT 的飽和區(qū)不同,稱 MOS管此區(qū)為飽和區(qū),主要表示 VDS 增加 ID 卻幾乎不再增加——也即電流飽和。其實在此飽和區(qū)內(nèi),MOS管 和 BJT 都處于受控恒流狀態(tài),故也稱其為恒流區(qū)。

MOS管的寄生電容

Mos管的漏、源、柵極間都有寄生電容,分別為Cds、Cgd、Cgs。

Cds=Coss (輸出電容);

Cgd+Cgs=Ciss (輸入電容);

 

MOS 管的開關過程

下面以MOS管開關過程中柵極電荷特性圖進行講解,

VTH:開啟閥值電壓; VGP:米勒平臺電壓;

VCC:驅(qū)動電路的電源電壓; VDD:MOSFET關斷時D和S極間施加的電壓

 

MOS 管的開關過程

t1階段:當驅(qū)動開通脈沖加到MOSFET的G極和S極時,輸入電容Ciss充電直到FET開啟為止,開啟時有Vgs=Vth,柵極電壓達到Vth前,MOSFET一直處于關斷狀態(tài),只有很小的電流流過MOSFET,Vds的電壓Vdd保持不變。

t2階段:當Vgs到達Vth時,漏極開始流過電流ID,然后Vgs繼續(xù)上升,ID也逐漸上升,Vds保持Vdd不變,當Vds到達米勒平臺電壓Vgp時, ID也上升到負載電流最大值ID,Vds的電壓開始從Vdd下降。

t3階段:米勒平臺期間,ID繼續(xù)維持ID不變,Vds電壓不斷的降低,米勒平臺結束時刻,iD電流仍維持ID,Vds電壓降到—個較低的值。米勒平臺的高度受負載電流的影響,負載電流越大,則ID到達此電流的時間就越長,從而導致更高的Vgp。

t4階段:米勒平臺結束后, iD電流仍維持ID,Vds電壓繼續(xù)降低,但此時降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后穩(wěn)定在Vds=Id×Rds(on) , 因此通常可以認為米勒平臺結束后MOSFET基本上已經(jīng)導通。所以為了減少開通損耗,一般要盡可能減少米勒平臺的時間。

t1和t2階段,因為Cgs>>Cgd ,所以驅(qū)動電流主要是為Cgs充電(QGS)。t3階段,因為Vds從Vdd開始下降,Cgd放電,米勒電流igd分流了絕大部分的驅(qū)動電流(QGD),使得MOSFET的柵極電壓基本維持不變。t4階段,驅(qū)動電流主要是為Cgs充電(Qs)。

確認MOSFET類型

(1)常用的MOS管G D S三個引腳是固定的,不管是N溝道還是P溝道都一樣,如下圖所示,把芯片放正,從左到右分別為G極、D極、S極。(具體以FET SPEC為準)

(2)借助FET的寄生二極管來辨別管子是N溝道還是P溝道。將萬用表檔位撥至二極管檔,紅表筆接S,黑表筆接D,有數(shù)值顯示,反過來接無數(shù)值,說明是N溝道,若情況相反是P溝道。

Tags:MOSFET,MOS管  
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