n溝道和p溝道圖片(結(jié)構(gòu)、工作原理)兩種最基本的MOS管-KIA MOS管
信息來(lái)源:本站 日期:2020-05-18
n溝道和p溝道圖片詳解,mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。
(一)N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)
n溝道和p溝道圖片,N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)如下文。在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個(gè)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(gè)鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個(gè)電極B,這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)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(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。
(二)N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理
n溝道和p溝道圖片,N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。
(1)vGS對(duì)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(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時(shí),即使加上漏——源電壓vDS,而且不論vDS的極性如何,總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài),漏——源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道,所以這時(shí)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(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)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(dòng)的受主離子(負(fù)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(dāng)vGS數(shù)值較小,吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí),漏——源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn),如圖1(b)所示。vGS增加時(shí),吸引到P襯底表面層的電子就增多,當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí),這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層,且與兩個(gè)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(chǎng)就越強(qiáng),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(kāi)始形成溝道時(shí)的柵——源極電壓稱為開(kāi)啟電壓,用VT表示。
上面討論的N溝道MOS管在vGS<VT時(shí),不能形成導(dǎo)電溝道,管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGS≥VT時(shí),才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)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(duì)iD的影響
如圖(a)所示,當(dāng)vGS>VT且為一確定值時(shí),漏——源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(chǎng)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(diǎn)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(dāng)vDS較小(vDS)。
隨著vDS的增大,靠近漏極的溝道越來(lái)越薄,當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時(shí),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(diǎn)將向源極方向移動(dòng),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(jìn)入飽和區(qū),iD幾乎僅由vGS決定。
mos管的結(jié)構(gòu)圖(N溝道耗盡型基本結(jié)構(gòu))
(1)結(jié)構(gòu):
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。
(2)區(qū)別:
耗盡型MOS管在vGS=0時(shí),漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生,而增強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。
(3)原因:
制造N溝道耗盡型MOS管時(shí),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(shí)摻入負(fù)離子),如圖1(a)所示,因此即使vGS=0時(shí),在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)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(chǎng)將在溝道中吸引來(lái)更多的電子,溝道加寬,溝道電阻變小,iD增大。反之vGS為負(fù)時(shí),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(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí),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(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓,仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同,N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)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MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過(guò)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。
在實(shí)際項(xiàng)目中,我們基本都用增強(qiáng)型mos管,分為N溝道和P溝道兩種。
我們常用的是NMOS,因?yàn)槠鋵?dǎo)通電阻小,且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管,在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá)),這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句,體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。
1.導(dǎo)通特性
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng)),只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。
PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng),但由于導(dǎo)通電阻大,價(jià)格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動(dòng)中,通常還是使用NMOS。
2.MOS開(kāi)關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在,這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗?,F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。
MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程,流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程,在這段時(shí)間內(nèi),MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開(kāi)關(guān)頻率越高,損失也越大。
導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大??s短開(kāi)關(guān)時(shí)間,可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開(kāi)關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
3.MOS管驅(qū)動(dòng)
跟雙極性晶體管相比,一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個(gè)很容易做到,但是,我們還需要速度。
在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動(dòng),實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流,因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是,普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS,導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門(mén)的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
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