翻看模拟电路基础这本书,找到场效应管这一章节,讲述了场效应管的分类有以下几种:结型场效应管和绝缘栅型场效应管。结型场效应管在工作经历中很少遇到,只在特定的应用
中发挥作用。应用较多的是绝缘栅型场效应管。绝缘栅型场效应管又叫MOS管,又可分类为增强型和耗尽型。耗尽型的MOS管在应用中也是很少看到,应用最多的还要数增强型MOS管,
下面着重地了解一下增强型MOS管。
增强型MOS管分为P沟道和N沟道。
以N沟道为例。图示是N沟道增强型MOS管的结构示意图。它以一块低掺杂的P型硅片为衬底,利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区,并引出两个电极,分别作为源极s和漏极d,
半导体上制作一层SiO2绝缘层,再在SiO2之上制作一层金属铝,引出电极作为栅极g。通常将衬底与源极s接在一起使用。这样,栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘层,
形成电容。当栅-源电压变化时,将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。
N沟道增强型MOS管工作原理
当g-s之间不加电压时,d-s之间是两个背向的PN节,不存在导电沟道,因此即使d-s之间加电压,也不会有漏极电流。
当uDS=0且uGS>0时,由于SiO2的存在,g极电流为零。但是g极金属层将聚集正电荷,它们排斥P型衬底靠近SiO2一侧的空穴,使之剩下不能移动的负离子区,
形成耗尽层。当uGS增大时,一方面耗尽层增宽,另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,形成一个N型薄层,成为反型层。这个反型层就构成了d-s之间的导电沟道。如图。
使沟道刚刚形成的g-s电压称为开启电压UGS(th)。uGS越大,反型层越厚,导电沟道电阻越小。
当uGS时大于UGS(th)的一个确定值时,若在d-s之间加正向电压,则将产生一定的漏极电流。当uDS较小时,uDS的增大使iD线性增大,沟道沿s-d方向逐渐变窄,如下图。
一旦uDS增大到使uGD= UGS(th)(uDS = uGS - UGS(th)),沟道在d极一侧出现夹断点,称为预夹断。如果uDS继续增大,夹断区随之延长,而uDS的增大部分几乎全部
用于克服夹断区对d极电流的阻力。从外部看,iD几乎不因uDS的增大而变化,管子进入横流区,iD几乎仅决定于uGS。如下图
3. P沟道增强型MOS管
与N沟道增强型MOS管相对应,P沟道增强型MOS管的开启电压UGS(th)<0,当uGS时小于UGS(th)时管子才导通,d-s之间应加负电源电压。
4. 总结
从以上所述的工作原理来看,增强型MOS管的G极和S极之间是绝缘的,由于SiO2绝缘层的存在,在栅极g和源极s之间等效是一个电容的存在,电压uGS产生电场从而导通继而产生d-s电流,
此时的uGS决定d极电流的大小。它是电压控制电流的器件,导通特性呈纯阻性,输入特性呈电容特性,输入阻抗极高。
5. 电压极性和符号规则
D代表漏极,s代表源极,g代表栅极。如图一所示,中间的箭头表示衬底。箭头向里表示N沟道,箭头向外表示P沟道。
在生产过程中,衬底在出厂前会和源极相连,所以表示衬底的箭头也必须和源极相连,用以区别源极和漏极。
增强型MOS管的电压极性和普通三极管的电压极性类似。N沟道类似于NPN晶体管,d极接正极,s极接负极,g极为正电压时导通。P沟道类似于PNP晶体管,d极接负极,s极接正极,g电压为负时导通。
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