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p沟道场效应管工作原理【最全详解】

发布时间:2020-03-18 09:52人气:

什么是pmos管

P沟道场效应管是指n型衬管底、p沟道,靠空穴的流动运送电流的MOS管。P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低,因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下,PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。此外,P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高,要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性,与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。PMOS因逻辑摆幅大,充电放电过程长,加之器件跨导小,所以工作速度更低,在NMOS电路(见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路)出现之后,多数已为NMOS电路所取代。只是,因PMOS电路工艺简单,价格便宜,有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。


p沟道场效应管工作原理【最全详解】第1图


改动栅压可以改动沟道中的电子密度,从而改动沟道的电阻,这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低,因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下,PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。此外,P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值普通偏高,央求有较高的工作电压。


p沟道场效应管工作原理

正常工作时,P沟道增强型MOS管的衬底必需与源极相连,而漏心极的电压Vds应为负值,以保证两个P区与衬底之间的PN结均为反偏,同时为了在衬底顶表面左近构成导电沟道,栅极对源极的电压Vgs也应为负。


1、Vds≠O的情况导电沟道构成后,DS间加负向电压时,那么在源极与漏极之间将有漏极电流Id流通,而且Id随Vds而增加。Id沿沟道产生的压降使沟道上各点与栅极间的电压不再相等,该电压削弱了栅极中负电荷电场的作用,使沟道从漏极到源极逐渐变窄。当Vds增大到使Vgd=Vgs(TH),沟道在漏极左近呈现预夹断。


2、Vds=0时,在栅源之间加负电压Vgs,由于绝缘层的存在,故没有电流,但是金属栅极被补充电而聚集负电荷,N型半导体中的多子电子被负电荷排斥向体内运动,表面留下带正电的离子,构成耗尽层,随着G、S间负电压的增加,耗尽层加宽。当Vgs增大到一定值时,衬底中的空穴(少子)被栅极中的负电荷吸收到表面,在耗尽层和绝缘层之间构成一个P型薄层,称反型层。这个反型层就构成漏源之间的导电沟道,这时的Vgs称为开启电压Vgs(th),Vgs到Vgs(th)后再增加,衬底表面感应的空穴越多,反型层加宽,而耗尽层的宽度却不再变化,这样可以用Vgs的大小控制导电沟道的宽度。PMOS的Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。需要注意的是,Vgs指的是栅极G与源极S的电压,即栅极低于电源一定电压就导通,并非相对于地的电压。但是因为PMOS导通内阻比较大,所以只适用低功率的情况。不过,大功率仍然使用N沟道MOS管。


N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理

N沟道和P沟道结型场效应管工作原理完全相同,现以N沟道结型场效应管为例,分析其工作原理。N沟道结型场效应管工作时,需要外加如图1所示的偏置电压(鼠标单击图1中“结型场效应管的工作原理”),即在栅-源极间加一负电压(vGS<0),使栅-源极间的P+N结反偏,栅极电流iG≈0,场效应管呈现很高的输入电阻(高达108W左右)。在漏-源极间加一正电压 (vDS>0),使N沟道中的多数载流子电子在电场作用下由源极向漏极作漂移运动,形成漏极电流iD。iD的大小主要受栅-源电压vGS控制,同时也受漏 -源电压vDS的影响。因此,讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源电压vGS对沟道电阻及漏极电流iD的控制作用,以及漏-源电压vDS对漏极电流iD 的影响。


p沟道场效应管工作原理【最全详解】第2图


场效应管种类

(1)栅极电压VGS对iD的控制作用


为便于讨论,先假设漏-源极间所加的电压vDS=0。当栅-源电压vGS=0时,沟道较宽,其电阻较小,如图1(a)所示。当vGS<0,且其大小增加时,在这个反偏电压的作用下,两个P+N结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区,因此,随着|vGS| 的增加,耗尽层将主要向N沟道中扩展,使沟道变窄,沟道电阻增大,如图1(b)所示。当|vGS|进一步增大到一定值|VP| 时,两侧的耗尽层将在沟道中央合拢,沟道全部被夹断。


由于耗尽层中没有载流子,因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大,即使加上一定的 电压vDS,漏极电流iD也将为零。这时的栅-源电压称为夹断电压,用VP表示。上述分析表明,改变栅源电压vGS的大小,可以有效地控制沟道电阻的大小。若同时在漏源-极间加上固定的正向电压vDS,则漏极电流iD将受vGS的控制,|vGS|增大时,沟道电阻增大,iD减小。上述效应也可以看作是栅 -源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场,电场强度的大小控制了沟道的宽度,即控制了沟道电阻的大小,从而控制了漏极电流iD的大小。


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