場效應管是只要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和絕緣柵型場效應三極管IGFET之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導體三極管MOSFET。
MOS場效應管有加強型(EnhancementMOS或EMOS)和耗盡型(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。
加強型MOS(EMOS)場效應管道加強型MOSFET根本上是一種左右對稱的拓撲構造,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。
1.溝道構成原理當Vgs=0V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間構成電流。
當柵極加有電壓時,若0<Vgs<Vgs(th)時(VGS(th)稱為開啟電壓),經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擠,呈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,缺乏以構成溝道,所以依然缺乏以構成漏極電流ID。
進一步增加Vgs,當Vgs>Vgs(th)時,由于此時的柵極電壓曾經比擬強,在靠近柵極下方的P型半導體表層中匯集較多的電子,能夠構成溝道,將漏極和源極溝通。假如此時加有漏源電壓,就能夠構成漏極電流ID。在柵極下方構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(inversionlayer)。隨著Vgs的繼續增加,ID將不時增加。
在Vgs=0V時ID=0,只要當Vgs>Vgs(th)后才會呈現漏極電流,這種MOS管稱為加強型MOS管。
VGS對漏極電流的控制關系可用iD=f(vGS)|VDS=const這一曲線描繪,稱為轉移特性曲線,見圖。
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造用。gm的量綱為mA/V,所以gm也稱為跨導。
跨導的定義式如下:gm=△ID/△VGS|(單位mS)
2.Vds對溝道導電才能的控制
當Vgs>Vgs(th),且固定為某一值時,來剖析漏源電壓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。
依據此圖能夠有如下關系:
VDS=VDG+VGS=—VGD+VGSVGD=VGS—VDS
當VDS為0或較小時,相當VGD>VGS(th),溝道呈斜線散布。在緊靠漏極處,溝道到達開啟的水平以上,漏源之間有電流經過。
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狀況,稱為預夾斷,此時的漏極電流ID根本飽和。
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02.16所示。
1、電路設計的問題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態,而不是在開關狀態。這也是導致MOS管發熱的一個原因。如果N-MOS做開關,G級電壓要比電源高幾V,才能完全導通,P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗,等效直流阻抗比較大,壓降增大,所以U*I也增大,損耗就意味著發熱。這是設計電路的最忌諱的錯誤;
2、頻率太高,主要是有時過分追求體積,導致頻率提高,MOS管上的損耗增大了,所以發熱也加大了;
3、沒有做好足夠的散熱設計,電流太高,MOS管標稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達到。所以ID小于最大電流,也可能發熱嚴重,需要足夠的輔助散熱片;
4、MOS管的選型有誤,對功率判斷有誤,MOS管內阻沒有充分考慮,導致開關阻抗增大。