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mos管三個(gè)工作區(qū)-完全導(dǎo)通區(qū)、截止區(qū)、線性區(qū)等詳細(xì)分析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-06-25 

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mos管三個(gè)工作區(qū)-完全導(dǎo)通區(qū)、截止區(qū)、線性區(qū)等詳細(xì)分析

mos管三個(gè)工作區(qū)

在了解MOS管三個(gè)工作區(qū)之前,先了解一下MOS管三個(gè)工作區(qū)分別是什么?下面講述MOS管場(chǎng)效應(yīng)管的四個(gè)區(qū)域:


(1)可變電阻區(qū)(也稱非飽和區(qū))

滿足Ucs》Ucs(th)(開啟電壓),uDs《UGs-Ucs(th),為圖中預(yù)夾斷軌跡左邊的區(qū)域其溝道開啟。在該區(qū)域UDs值較小,溝道電阻基本上僅受UGs控制。當(dāng)uGs一定時(shí),ip與uDs成線性關(guān)系,該區(qū)域近似為一組直線。這時(shí)場(chǎng)效管D、S間相當(dāng)于一個(gè)受電壓UGS控制的可變電阻。


(2)恒流區(qū)(也稱飽和區(qū)、放大區(qū)、有源區(qū))

滿足Ucs≥Ucs(h)且Ubs≥UcsUssth),為圖中預(yù)夾斷軌跡右邊、但尚未擊穿的區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi),當(dāng)uGs一定時(shí),ib幾乎不隨UDs而變化,呈恒流特性。i僅受UGs控制,這時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管D、S間相當(dāng)于一個(gè)受電壓uGs控制的電流源。場(chǎng)效應(yīng)管用于放大電路時(shí),一般就工作在該區(qū)域,所以也稱為放大區(qū)。


(3)夾斷區(qū)(也稱截止區(qū))

夾斷區(qū)(也稱截止區(qū))滿足ucs《Ues(th)為圖中靠近橫軸的區(qū)域,其溝道被全部夾斷,稱為全夾斷,io=0,管子不工作。


(4)擊穿區(qū)位

擊穿區(qū)位于圖中右邊的區(qū)域。隨著UDs的不斷增大,pn結(jié)因承受太大的反向電壓而擊穿,ip急劇增加。工作時(shí)應(yīng)避免管子工作在擊穿區(qū)。

轉(zhuǎn)移特性曲線可以從輸出特性曲線。上用作圖的方法求得。例如在下圖(a)中作Ubs=6V的垂直線,將其與各條曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的i、Us值在ib- Uss 坐標(biāo)中連成曲線,即得到轉(zhuǎn)移性曲線,如圖下(b)所示。


mos管三個(gè)工作區(qū)


MOS管線性區(qū)、完全導(dǎo)通區(qū)的電場(chǎng)和電流分布

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性如圖1所示,其工作特性有MOS管三個(gè)工作區(qū):截止區(qū)、線性區(qū)和?完全導(dǎo)通區(qū)。其中,線性區(qū)也稱恒流區(qū)、飽和區(qū)、放大區(qū);完全導(dǎo)通區(qū)也稱可變電阻區(qū)。


mos管三個(gè)工作區(qū)

MOSFET的漏極導(dǎo)通特性


通常MOSFET工作于開關(guān)狀態(tài),在截止區(qū)和完全導(dǎo)通區(qū)之間高頻切換,由于在切換過程中要經(jīng)過線性區(qū),因此產(chǎn)生開關(guān)損耗。對(duì)于熱插撥、負(fù)載開關(guān)、分立LDO的調(diào)整管等這一類的應(yīng)用,MOSFET較長(zhǎng)時(shí)間或一直在線性區(qū)工作,因此工作狀態(tài)不同。


功率MOSFET在完全導(dǎo)通區(qū)和線性區(qū)工作時(shí)候,都可以流過大的電流。理論上,功率MOSFET是單極型器件,N溝道的功率MOSFET,只有電子電流,沒有空穴電流,但是,這只是針對(duì)完全導(dǎo)通的時(shí)候;在線性區(qū),還是會(huì)同時(shí)存在電子和空穴二種電流,如圖2、圖3和圖4分別所示,完全導(dǎo)通區(qū)和線性區(qū)工作時(shí),電勢(shì)、空穴和電流線分布圖。


MOS管在線性區(qū)工作時(shí),器件同時(shí)承受高的電壓和高的電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生下面的問題:


1、內(nèi)部的電場(chǎng)大,注入更多的空穴。


2、有效的溝道寬度比完全導(dǎo)通時(shí)小。


3、改變Vth和降低擊穿電壓。


4、Vth低,電流更容易傾向于局部的集中,形成熱點(diǎn);負(fù)溫度系數(shù)特性進(jìn)一步惡化局部熱點(diǎn)。


功率MOSFET工作在線性區(qū)時(shí),器件承受高的電壓,耗盡層高壓偏置導(dǎo)致有效的體電荷減小;工作電壓越高,內(nèi)部的電場(chǎng)越高,電離加強(qiáng)產(chǎn)生更多電子-空穴對(duì),形成較大的空穴電流。特別是如果工藝不一致,局部區(qū)域達(dá)到臨界電場(chǎng),會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的電離和更大的空穴電流,增加寄生三極管導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。


MOS管的夾斷區(qū)和飽和區(qū)的區(qū)別是什么

柵極電壓可以產(chǎn)生溝道,也可以使溝道消失——夾斷;而源-漏電壓也有可能使MOSFET的溝道夾斷(局部夾斷),則溝道夾斷的電壓對(duì)應(yīng)有兩個(gè)電壓。一般,產(chǎn)生或者夾斷溝道的柵極電壓稱為閾值電壓VT,而使溝道夾斷的源-漏電壓往往稱為飽和電壓Vsat,因?yàn)檫@時(shí)的源-漏電流最大、并飽和(即與源-漏電壓無關(guān))。


(1) 耗盡型n-MOSFET:

耗盡型MOSFET在柵極電壓為0時(shí)即存在溝道。當(dāng)負(fù)柵電壓增大到使溝道夾斷(整個(gè)溝道均勻夾斷)時(shí),這時(shí)的柵電壓就稱為夾斷電壓Vp——耗盡型MOSFET的閾值電壓。

在VGS>Vp時(shí),IDS=0,即為截止?fàn)顟B(tài)。


在VGS<Vp時(shí),存在溝道,IDS≠0:若VDS較低,則為線性導(dǎo)電狀態(tài);若VDS= (Vp-VGS)時(shí),則溝道在漏極端附近處夾斷(非整個(gè)溝道夾斷),漏極電流達(dá)到最大——飽和電流,這時(shí)的源-漏電壓就稱為飽和電壓。飽和電壓也就是使溝道發(fā)生局部夾斷時(shí)的源-漏電壓。在VDS≥Vsat=(Vp-VGS)即為MOSFET的飽和區(qū)。


(2)增強(qiáng)型n-MOSFET:

增強(qiáng)型MOSFET在柵極電壓為0時(shí)即不存在溝道。當(dāng)正柵電壓增大到出現(xiàn)溝道時(shí),這時(shí)的柵極電壓特稱為開啟電壓Vop——增強(qiáng)型MOSFET的閾值電壓。

在VGS<Vop時(shí),沒有溝道,則IDS=0,即為截止?fàn)顟B(tài)。


在VGS>Vop時(shí),存在溝道,IDS≠0:若VDS較低,則為線性導(dǎo)電狀態(tài);若VDS≥ (VGS-Vop)時(shí),則溝道在漏極端附近處夾斷(非整個(gè)溝道夾斷),漏極電流達(dá)到最大、并飽和,MOSFET即進(jìn)入飽和狀態(tài)。溝道開始夾斷時(shí)的源-漏電壓即為飽和電壓Vsat= (VGS-Vop)。


(3)溝道夾斷以后的導(dǎo)電性:

場(chǎng)效應(yīng)晶體管是依靠多數(shù)載流子在溝道中的導(dǎo)電來工作的。沒有溝道(柵極電壓小于閾值電壓時(shí)),即不導(dǎo)電——截止?fàn)顟B(tài)。出現(xiàn)了溝道(柵極電壓大于閾值電壓時(shí)),即可導(dǎo)電;并且在源-漏電壓增大到使得溝道在漏極端夾斷以后,其電流達(dá)到最大——飽和電流,即導(dǎo)電性能更好。為什么集電區(qū)能夠很好地導(dǎo)電?


因?yàn)闇系缞A斷區(qū)實(shí)際上就是載流子被耗盡的區(qū)域,其中存在有沿著溝道方向的電場(chǎng),所以只要有載流子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣,就很容易被掃過夾斷區(qū)而到達(dá)漏極——輸出電流。可見,溝道夾斷區(qū)與BJT的反偏集電結(jié)的勢(shì)壘區(qū)類似,不但不起阻擋載流子的作用,而且還將有利于載流子的通過。因此,溝道夾斷以后,器件的輸出電流飽和,即達(dá)到最大。


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