【基礎知識】MOS場效應管的增強型和耗盡型的區(qū)別
依據導電方式的不同,直流穩(wěn)壓電源MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指:當VGS=0時管子是呈截止狀況,加上正確的VGS后,大都載流子被招引到柵極,然后“增強”了該區(qū)域的載流子,構成導電溝道。
N溝道增強型直流穩(wěn)壓電源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,然后用光刻工藝分散兩個高摻雜的N型區(qū),從N型區(qū)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。
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間構成電流。
當柵極加有電壓時,若0<VGS<VGS(th)時,通過柵極和襯底間構成的電容電場效果,將接近柵極下方的P型半導體中的多子空穴向下方排擠,呈現了一薄層負離子的耗盡層;一起將招引其間的少子向表層運動,但數量有限,不足以構成導電溝道,將漏極和源極交流,所以依然不足以構成漏極電流ID。
進一步添加VGS,當VGS>VGS(th)時( VGS(th)稱為敞開電壓),因為此刻的柵極電壓現已比較強,在接近柵極下方的P型半導體表層中集合較多的電子,能夠構成溝道,將漏極和源極交流。如果此刻加有漏源電壓,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。跟著VGS的持續(xù)添加,ID將不斷添加。在VGS=0V時ID=0,只需當VGS>VGS(th)后才會呈現漏極電流,所以,這種直流穩(wěn)壓電源MOS管稱為增強型直流穩(wěn)壓電源MOS管。
VGS對漏極電流的操控聯系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描繪,稱為搬運特性曲線,見圖1.。
搬運特性曲線的斜率gm的巨細反映了柵源電壓對漏極電流的操控效果。 gm的量綱為mA/V,所以gm也稱為跨導。跨導。
圖1. 搬運特性曲線
圖2—54(a)為N溝道增強型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的結構示意圖,其電路符號如圖2—54(b)所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底,使用分散工藝在襯底上分散兩個高摻雜濃度的N型區(qū)(用N+表明),并在此N型區(qū)上引出兩個歐姆觸摸電極,別離稱為源極(用S表明)和漏極(用D表明)。在源區(qū)、漏區(qū)之間的襯底外表掩蓋一層二氧化硅(SiO2)絕緣層,在此絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極作為柵極(用G表明)。從襯底引出一個歐姆觸摸電極稱為襯底電極(用B表明)。因為柵極與其它電極之間是彼此絕緣的,所以稱它為絕緣柵型場效應管。圖2—54(a)中的L為溝道長度,W為溝道寬度。
圖2—54所示的直流穩(wěn)壓電源MOSFET,當柵極G和源極S之間不加任何電壓,即UGS=0
時,因為漏極和源極兩個N+型區(qū)之間隔有P型襯底,相當于兩個背靠背連接的PN結,它們之間的電阻高達1012W的數量級,也就是說D、S之間不具備導電的溝道,所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓,都不會發(fā)生漏極電流ID。
當將襯底B與源極S短接,在柵極G和源極S之間加正電壓,即UGS﹥0時,如圖2—55(a)所示,則在柵極與襯底之間發(fā)生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的效果下,P襯底外表鄰近的空穴遭到排擠將向下方運動,電子受電場的招引向襯底外表運動,與襯底外表的空穴復合,構成了一層耗盡層。如果進一步進步UGS電壓,使UGS達到某一電壓UT時,P襯底外表層中空穴悉數被排擠和耗盡,而自由電子很多地被招引到外表層,由量變到突變,使外表層變成了自由電子為多子的N型層,稱為“反型層”,如圖2—55(b)所示。反型層將漏極D和源極S兩個N+型區(qū)相連通,構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開端構成導電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或敞開電壓,用UT表明。明顯,只需UGS﹥UT時才有溝道,并且UGS越大,溝道越厚,溝道的導通電阻越小,導電才能越強。這就是為什么把它稱為增強型的緣故。
在UGS﹥UT的條件下,如果在漏極D和源極S之間加上正電壓UDS,導電溝道就會有電流流轉。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū),因為溝道有必定的電阻,所以沿著溝道發(fā)生電壓降,使溝道各點的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐步減小,接近漏區(qū)一端的電壓UGD最小,其值為UGD=UGS-UDS,相應的溝道最?。唤咏磪^(qū)一端的電壓最大,等于UGS,相應的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的,整個溝道呈歪斜狀。跟著UDS的增大,接近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。
當UDS增大到某一臨界值,使UGD≤UT時,漏端的溝道消失,只剩下耗盡層,把這種狀況稱為溝道“預夾斷”,如圖2—56(a)所示。持續(xù)增大UDS(即UDS>UGS-UT),夾斷點向源極方向移動,如圖2—56(b)所示。雖然夾斷點在移動,但溝道區(qū)(源極S到夾斷點)的電壓降堅持不變,仍等于UGS-UT。因而,UDS剩余部分電壓[UDS-(UGS-UT)]悉數降到夾斷區(qū)上,在夾斷區(qū)內構成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū),當電子抵達夾斷區(qū)邊際時,受夾斷區(qū)強電場的效果,會很快的漂移到漏極。
耗盡型。耗盡型是指,當VGS=0時即構成溝道,加上正確的VGS時,能使大都載流子流出溝道,因而“耗盡”了載流子,使管子轉向截止。
耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOS場效應管,是在制作過程中,預先在SiO2絕緣層中摻入很多的正離子,因而,在UGS=0時,這些正離子發(fā)生的電場也能在P型襯底中“感應”出滿足的電子,構成N型導電溝道。
當UDS>0時,將發(fā)生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0,則它將削弱正離子所構成的電場,使N溝道變窄,然后使ID減小。當UGS更負,達到某一數值時溝道消失,ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓,仍用UP表明。UGS N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的結構與增強型直流穩(wěn)壓電源MOSFET結構相似,只需一點不同,就是N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET在柵極電壓uGS=0時,溝道現已存在。該N溝道是在制作過程中使用離子注入法預先在襯底的外表,在D、S之間制作的,稱之為初始溝道。N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的結構和符號如圖1.(a)所示,它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了很多的金屬正離子。所以當VGS=0時,這些正離子現已感應出反型層,構成了溝道。所以,只需有漏源電壓,就有漏極電流存在。當VGS>0時,將使ID進一步添加。VGS<0時,跟著VGS的減小漏極電流逐步減小,直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為夾斷電壓,用符號VGS(off)表明,有時也用VP表明。N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的搬運特性曲線如圖1.(b)所示。
(a) 結構示意圖 (b) 搬運特性曲線
圖1. N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的結構和搬運特性曲線
因為耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET在uGS=0時,漏源之間的溝道現已存在,所以只需加上uDS,就有iD流轉。如果添加正向柵壓uGS,柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應更多的電子,溝道變厚,溝道的電導增大。
如果在柵極加負電壓(即uGS<0=,就會在相對應的襯底外表感應出正電荷,這些正電荷抵消N溝道中的電子,然后在襯底外表發(fā)生一個耗盡層,使溝道變窄,溝道電導減小。當負柵壓增大到某一電壓Up時,耗盡區(qū)擴展到整個溝道,溝道徹底被夾斷(耗盡),這時即便uDS仍存在,也不會發(fā)生漏極電流,即iD=0。UP稱為夾斷電壓或閾值電壓,其值通常在–1V–10V之間N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的輸出特性曲線和搬運特性曲線別離如圖2—60(a)、(b)所示。
在可變電阻區(qū)內,iD與uDS、uGS的聯系仍為
在恒流區(qū),iD與uGS的聯系仍滿足式(2—81),即
若考慮uDS的影響,iD可近似為
對耗盡型場效應管來說,式(2—84)也可表明為
式中,IDSS稱為uGS=0時的飽滿漏電流,其值為
P溝道直流穩(wěn)壓電源MOSFET的作業(yè)原理與N溝道直流穩(wěn)壓電源MOSFET徹底相同,只不過導電的載流子不同,供電電壓極性不同罷了。這好像雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
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