廣東可易亞半導(dǎo)體科技有限公司

國家高新企業(yè)

cn en

新聞中心

詳解場效應(yīng)管原理(圖文解析)及作用、特點、結(jié)構(gòu)大全-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-12-11 

分享到:

詳解場效應(yīng)管原理(圖文解析)及作用、特點、結(jié)構(gòu)大全

場效應(yīng)管概述

場效應(yīng)管原理詳解,場效應(yīng)晶體管簡稱場效應(yīng)管。主要有兩種類型:結(jié)型場效應(yīng)管(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。


具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點,現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。


場效應(yīng)管的特點

與雙極型晶體管相比,場效應(yīng)管具有如下特點。


(1)場效應(yīng)管是電壓控制器件,它通過VGS(柵源電壓)來控制ID(漏極電流);


(2)場效應(yīng)管的控制輸入端電流極小,因此它的輸入電阻(107~1012Ω)很大。


(3)它是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電,因此它的溫度穩(wěn)定性較好;


(4)它組成的放大電路的電壓放大系數(shù)要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數(shù);


(5)場效應(yīng)管的抗輻射能力強;


(6)由于它不存在雜亂運動的電子擴散引起的散粒噪聲,所以噪聲低。


場效應(yīng)管原理


場效應(yīng)管原理及基本結(jié)構(gòu)

下面詳解場效應(yīng)管原理。場效應(yīng)管,是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管,屬于絕緣柵型。本文就結(jié)構(gòu)構(gòu)造、特點、實用電路等幾個方面用工程師的話簡單描述。其結(jié)構(gòu)示意圖:


場效應(yīng)管原理


MOS場效應(yīng)三極管分為:增強型(又有N溝道、P溝道之分)及耗盡型(分有N溝道、P溝道)。N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號見上圖。其中:電極 D(Drain) 稱為漏極,相當雙極型三極管的集電極;


電極 G(Gate) 稱為柵極,相當于的基極;


電極 S(Source)稱為源極,相當于發(fā)射極。


N溝道增強型MOS場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)

場效應(yīng)管原理與結(jié)構(gòu),在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個電極,分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層,在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個電極B,這就構(gòu)成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。


圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。


場效應(yīng)管原理


N溝道增強型場效應(yīng)管的工作原理

場效應(yīng)管原理-N溝道增強型場效應(yīng)管原理如下:


(1)vGS對iD及溝道的控制作用

① vGS=0 的情況

從圖1(a)可以看出,增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當柵——源電壓vGS=0時,即使加上漏——源電壓vDS,而且不論vDS的極性如何,總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài),漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道,所以這時漏極電流iD≈0。


② vGS>0 的情況

若vGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個電場。電場方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場。這個電場能排斥空穴而吸引電子。


排斥空穴:使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥,剩下不能移動的受主離子(負離子),形成耗盡層。吸引電子:將 P型襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。


(2)導(dǎo)電溝道的形成:

當vGS數(shù)值較小,吸引電子的能力不強時,漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn),如圖1(b)所示。vGS增加時,吸引到P襯底表面層的電子就增多,當vGS達到某一數(shù)值時,這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層,且與兩個N+區(qū)相連通,在漏——源極間形成N型導(dǎo)電溝道,其導(dǎo)電類型與P襯底相反,故又稱為反型層,如圖1(c)所示。vGS越大,作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強,吸引到P襯底表面的電子就越多,導(dǎo)電溝道越厚,溝道電阻越小。


開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓,用VT表示。


上面討論的N溝道MOS管在vGS<VT時,不能形成導(dǎo)電溝道,管子處于截止狀態(tài)。只有當vGS≥VT時,才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。溝道形成以后,在漏——源極間加上正向電壓vDS,就有漏極電流產(chǎn)生。


vDS對iD的影響


場效應(yīng)管原理


如圖(a)所示,當vGS>VT且為一確定值時,漏——源電壓vDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。


漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點與柵極間的電壓不再相等,靠近源極一端的電壓最大,這里溝道最厚,而漏極一端電壓最小,其值為VGD=vGS-vDS,因而這里溝道最薄。但當vDS較小(vDS)


隨著vDS的增大,靠近漏極的溝道越來越薄,當vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時,溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷,如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS,夾斷點將向源極方向移動,如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū),故iD幾乎不隨vDS增大而增加,管子進入飽和區(qū),iD幾乎僅由vGS決定。


N溝道耗盡型場效應(yīng)管原理與基本結(jié)構(gòu)


場效應(yīng)管原理


(1)結(jié)構(gòu):

N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。


(2)區(qū)別:

耗盡型MOS管在vGS=0時,漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生,而增強型MOS管要在vGS≥VT時才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。


(3)原因:

制造N溝道耗盡型MOS管時,在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子),如圖1(a)所示,因此即使vGS=0時,在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下,漏——源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道),只要加上正向電壓vDS,就有電流iD。


如果加上正的vGS,柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子,溝道加寬,溝道電阻變小,iD增大。反之vGS為負時,溝道中感應(yīng)的電子減少,溝道變窄,溝道電阻變大,iD減小。當vGS負向增加到某一數(shù)值時,導(dǎo)電溝道消失,iD趨于零,管子截止,故稱為耗盡型。溝道消失時的柵-源電壓稱為夾斷電壓,仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相同,N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負值,但是,前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0,vGS>0。


P溝道耗盡型場效應(yīng)管原理

P溝道場效應(yīng)管原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過導(dǎo)電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。


場效應(yīng)管的作用

1.可應(yīng)用于放大。由于場效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高,因此耦合電容可以容量較小,不必使用電解電容器。


2.很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。


3.可以用作可變電阻。


4.可以方便地用作恒流源。


5.可以用作電子開關(guān)。


6.在電路設(shè)計上的靈活性大。柵偏壓可正可負可零,三極管只能在正向偏置下工作,電子管只能在負偏壓下工作。另外輸入阻抗高,可以減輕信號源負載,易于跟前級匹配。


聯(lián)系方式:鄒先生

聯(lián)系電話:0755-83888366-8022

手機:18123972950

QQ:2880195519

聯(lián)系地址:深圳市福田區(qū)車公廟天安數(shù)碼城天吉大廈CD座5C1


請搜微信公眾號:“KIA半導(dǎo)體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號

請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助








相關(guān)資訊