对场效应管工作原理的理解

./如何理解场效应管的原理,大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂,给初学的人学习造成很大的难度,要深入学习就越感到困难,本人以自己的理解加以解释,希望对初学的人有帮助,即使认识可能不是很正确,但对学习肯定有很大的帮助。场效应管的结构场效应管是电压控制器件,功耗比较低。而三极管是电流控制器件,功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂,不过可以做得很小,到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难,不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力,也有大功率场管出现,大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。结型场效应管的结构结型场效应管又叫JFET,只有耗尽型。这里以N沟道结型场效应管为例,说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N型硅,材料<沟道>上引出两个电极,分别为源极<S>和漏极<D>。在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极,称为栅极<G>。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。当栅极开路时,沟道相当于一个电阻,其阻值随型号而不同,一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压UDs,就有电流流过,ID将随UDS的增大而增大。如果给管子加上负偏差UGS时,PN结形成空间电荷区,其载流子很少,因而也叫耗尽区<如图a中阴影区所示>。其性能类似于绝缘体,反向偏压越大,耗尽区越宽,沟道电阻就越大,电流减小,甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片<沟道>中的电流大小的目的。注：实际上沟道的掺杂浓度非常小,导电能力比较低,所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时,如果负偏置没有加上,此时ID是最大的。特点：1,GS和GD有二极管特性,正向导通,反向电阻很大2：DS也是导通特性,阻抗比较大3：GS工作在反向偏置的状态。4：DS极完全对称,可以反用,即D当做S,S当做D。从以上介绍的情况看,可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比,即栅极相当于基极,源极相当于发射极,漏极相当于集电极。如果把硅片做成P型,而栅极做成N型,则成为P沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。符号：箭头的方向仍然是PN结正向导通的方向。绝缘栅场效应管MOSFET结型虽然电压控制方式,但是仍然有少子的飘移形成电流。绝缘栅场效应管是栅极与衬底完全绝缘,所以叫绝缘栅场效应管。绝缘栅型场效应晶体管在集成电路中被广泛使用,绝缘栅场效应晶体管<MOSFET>分为增强型和耗尽型两大类,每类中又有N沟道和P沟道之分,N沟道又叫PMOS管,P沟道又叫NMOS管。不象双极型晶体管只有NPN和PNP两类,场效应晶体管的种类要多一些。但是它们的工作原理基本相同,所以下面以增强型N沟道场效应晶体管为例来加以说明。绝缘栅型场效应三极管MOSFET<MetalOxideSemiconductorFET>。分为增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图4.1。其中：D<Drain>为漏极,相当c；G<Gate>为栅极,相当b；S<Source>为源极,相当e。〔衬底断开是是指两个N区没有相连。如果两个相连,靠改变沟道的宽度来控制电流就是耗尽型制作过程：取一块P型半导体作为衬底,用B表示。用氧化工艺生成一层SiO2薄膜绝缘层。然后用光刻工艺腐蚀出两个孔。扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。〔绿色部分从N型区引出电极,一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。N沟道增强型MOSFET的符号如图所示。左面的一个衬底在部与源极相连,右面的一个没有连接,使用时需要在外部连接。〔衬底在部与源极相连,所以绝缘栅MOSFET的D、S极是不能互换的。箭头的方向仍然是衬底和S极和D极的PN结方向,而栅极没有半导体,只是电容器的一个极板。而结型的箭头是栅极向S极和D极的PN结方向,这就是为什么同样是N沟道,结型和绝缘栅型的箭头方向相反。2N沟道增强型MOSFET的工作原理对N沟道增强型MOS场效应三极管的工作原理,分两个方面进行讨论,一是栅源电压UGS对沟道会产生影响,二是漏源电压UDS也会对沟道产生影响,从而对输出电流,即漏极电流ID产生影响。1．栅源电压UGS的控制作用先令漏源电压UDS=0,加入栅源电压UGS以后并不断增加。UGS带给栅极正电荷,会将正对SiO2层的表面下的衬底中的空穴推走,从而形成一层负离子层,即耗尽层,用绿色的区域表示。〔注：耗尽层的载流子减少,导电能力变差同时会在栅极下的表层感生一定的电子电荷,若电子数量较多,从而在漏源之间可形成导电沟道。显然改变UGS就会改变沟道,从而影响ID,这说明UGS对ID的控制作用。当UGS较小时,不能形成有效的沟道,尽管加有UDS,也不能形成ID。当增加UGS,使ID刚刚出现时,对应的UGS称为开启电压,用UGS<th>或UT表示。沟道中的电子和P型衬底的多子导电性质相反,称为反型层。此时若加上UDS,就会有漏极电流ID产生。2．漏源电压UDS的控制作用设UGS＞UGS<th>,增加UDS,此时沟道的变化如下。显然漏源电压会对沟道产生影响,因为源极和衬底相连接,所以加入UDS后,UDS将沿漏到源逐渐降落在沟道,漏极和衬底之间反偏最大,PN结的宽度最大。所以加入UDS后,在漏源之间会形成一个倾斜的PN结区,从而影响沟道的导电性。当UDS进一步增加时,ID会不断增加,同时,漏端的耗尽层上移,会在漏端出现夹断,这种状态称为预夹断。当UDS进一步增加时,漏端的耗尽层向源极伸展,此时ID基本不再增加,增加的UDS基本上降落在夹断区。3N沟道增强型MOSFET的特性曲线N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线有两条,转移特性曲线和漏极输出特性曲线。1>转移特性曲线N沟道增强型MOSFET的转移特性曲线如左图所示,它是说明栅源电压UGS对漏极电流ID的控制关系,可用这个关系式来表达,这条特性曲线称为转移特性曲线。转移特性曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm称为跨导。这是场效应三极管的一个重要参数。单位mS〔mA/V2>漏极输出特性曲线当UGS＞UGS<th>,且固定为某一值时,反映UDS对ID的影响,即ID=f<UDS>UGS=const这一关系曲线称为漏极漏极输出特性曲线。场效应三极管作为放大元件使用时,是工作在漏极输出特性曲线水平段的恒流区,从曲线上可以看出UDS对ID的影响很小。但是改变UGS可以明显改变漏极电流ID,这就意味着输入电压对输出电流的控制作用。曲线分五个区域：〔1可变电阻区〔2恒流区〔放大区〔3截止区〔4击穿区〔5过损耗区从漏极输出特性曲线可以得到转移特性曲线,过程如下：4N沟道耗尽型MOSFETN沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如下图所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了一定量的正离子。所以当UGS=0时,这些正离子已经感生出电子形成导电沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当UGS=0时,对应的漏极电流用IDSS表示。当UGS＞0时,将使ID进一步增加。〔注：正电压使导电层导电能力增强。UGS＜0时,随着UGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压,用符号UGS<off>表示,有时也用UP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如上图所示。P沟道增强型MOSFET的结构和工作原理P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。这都是从讲的比较好的文章中摘录下来的,结型的管子道理好理解,而mos管,大多数的讲解都如此,不能让人理解。首先我们看一下太阳能电池,太阳能电池实际就是一个PN结。由于PN结的掺杂性,会在部形成一个电势差。通常正向导通需要0.4~0.7伏的电压就是克服电场的。硅管和锗管的电压不同。而反接的时候,在没有击穿的时候,相当于一个电容器,充满电就不能导电了。变容二极管就是这种运用。而在太阳能电池里面,PN结是当电池使用,在电池的外部,P区的电子会通过电阻到N区和正电荷中和,这种作用会使PN结电压降低。而扩散又会使PN结的电压升高。当达到平衡时,会形成恒定的电流。从能量的角度,PN结从外面吸收能量,转化为电能,电能又通过电阻转化为热能。下面我们来看场管的工作原理当场管没有加任何电压时,D极和S极有两个完全相同的PN结,这时N区的电势会比P区高,当,场管在部把S极和衬底相连时,PN结绝对不会消失,因为PN结电压很小,实际测量只有几毫伏。这时导线可以看成一个小电阻,不能忽略。但可以使PN结电压降低,此时D、S两极的PN结宽度已经不相等了,而且S极宽度较小。当给S极和G极加上正向电压的时候,P材料和N材料就和G极构成一个电容器,由于充电效应,栅极带正电,下面相对的N型和P型材料表面就构成另一个极板,都带负电,这样整个表面就成了一个等势面。从而使两个N连在一起了。但是由于PN结的存在,P衬底和N绝对不会电势相等,这样由于电场的作用,就把P衬底分成两个区。当VGS很小时,虽然连在一起,但是并不能形成ID,因为这些负电荷被原子核吸附住了。并不能自由移动。同样在PN结之间形成的耗尽层,里面的载流子也很少,只有当VGS增加到一定的程度,下面等势面宽度变宽,负电荷增多,且有可以自由移动的电荷时,才会形成有效的电流,这就是开启电压,所以VGS能起到控制电流的作用。我们来看一下,电容器的情况,当把一个金属块放在两个电容中间时,出现的情况。此时的MOS管正是这种情况。当再DS之间加上电压时,电流流过负极板这一层,会形成电压降。使得负极板各处的电压不相等。我们可以等效为这种情况。把下表面看成一小块一小块的。这样越靠近S极,两板的电势差越大,充电就越多,导电区域就越宽。反之越靠近D极,两板的电势差越小,充电就越少,导电区域就越窄。下面的耗尽层这时我们不作讨论。当ID增加到一定值时,靠近D极的一端会出现电势相等的情况,那么下表面不会感应出负电荷,出现沟道断开的现象,这就是预夹断。当ID继续增加,就出现完全夹断的情况。当理解了MOS管的工作原理之后,其它知识就可以循序渐进的进行学习和理解了,不管这种解释是否合理,至少是让人容易理解理解了MOS管的工作原理。由于结构不一样,测量时也不一样。1、增强型MOS管,1、没有加电压时,GS,GD、DS任意两个脚都是不通的,2、如果DS是导通的,不能马上认为是击穿损坏,因为如果先测量GS,因为万用表部电压,相当于给栅极G充电,DS沟道就联通了。这是应该将栅极G和源极S短路一下,把充电放掉,再测量,如果不通是好的,通就是击穿短路的。2、耗尽型MOS管的测量方法耗尽型MOS管的GS和GD都是不通的,但DS是导通的。用万用表给GS加负电压,DS之间的电阻应该增大。下面简述一下用C-MOS场效应管〔增强型MOS场效应管就是将一个P沟道的增强型PMOS场效应管和N沟道的增强型NMOS场效应管组合在一起使用,叫C-MOS场效应管电路的工作过程如下。当输入端为低电平时,P沟道MOS场效应管导通,输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时,N沟道MOS场效应管导通,输出端与电源地接通。在该电路中,P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作,其相位输入端和输出端相反。很简单就组成一个反向器。所以在大规模集成电路中使用广泛。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响,使得栅压在还没有到0V,通常在栅极电压小于1到2V时,MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此,使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程〔见图10。工作原理同前所述。场效应晶体管〔FieldEffectTransistor缩写<FET>简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件,具有输入电阻高〔108～109Ω、噪声小、功耗低、动态围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点,现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。VMOS场效应管VMOS场效应管〔VMOSFET简称VMOS管或功率场效应管,其全称为V型槽MOS场效应管。它是继MOSFET之后新发展起来的高效、功率开关器件。它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高〔≥108Ω、驱动电流小〔左右0.1μA左右,还具有耐压高〔最高可耐压1200V、工作电流大〔1.5A～100A、输出功率高〔1～250W、跨导的线性好、开关速度快等优良特性。正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身,因此在电压放大器〔电压放大倍数可达数千倍、功率放大器、开关电源和逆变器中正获得广泛应用。众所周知,传统的MOS场效