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p沟道结型场效应管工作原理【最全详解】

发布时间:2020-03-19 09:15人气:

p沟道结型场效应管工作原理

P沟道为空穴流,N沟道为电子流,所以场效应三极管也称为单极性三极管。FET乃是利用输入电压(Vgs)来控制输出电流(Id)的大小。所以场效应三极管是属于电压控制元件。它有两种类型,一是结型(接面型场效应管)(JFET),一是金氧半场效应三极管,简称MOSFET,MOSFET又可分为增强型与耗尽型两种。


N沟道,P沟道结型场效应管的D、S是由N(或P)中间是栅极夹持的通道,这个通道大小是受电压控制的,当然就有电流随栅极电压变化而变。可以看成栅极是控制电流阀门。增强型是指:当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。


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耗尽型则是指,当VGS=0时即形成沟道,加上正确的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。栅极电压高低决定电场的变化,进而影响载流子的多少,引起通过S、D电流变化。


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沟道结型场效应管工作原理

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。


绝缘型场效应管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为MOS管。它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管大得多,可达1010Ω以上,还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时温度简单,而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。


与结型场效应管相同,MOS管工作原理动画示意图也有N沟道和P沟道两类,但每一类又分为增强型和耗尽型两种,因此MOS管的四种类型为:N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管,凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。


根据导电方式的不同,MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指:当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。


N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极,一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。


当VGS=0 V时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。


当栅极加有电压时,若0进一步增加VGS,当VGS>VGS(th)时( VGS(th)称为开启电压),由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0,只有当VGS>VGS(th)后才会出现漏极电流,所以,这种MOS管称为增强型MOS管。


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