n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理、特性及結(jié)構(gòu)詳解-N溝道場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-09-30
絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的構(gòu)造表示圖如圖2-34所示。
1)n溝道增強(qiáng)型MOSFET的導(dǎo)電溝道的構(gòu)成
n溝道加強(qiáng)型MOSFET的溝道構(gòu)成及符號(hào)如圖2-35所示，其中圖2-35 (a)所示是在一塊雜質(zhì)濃度較低的P型半導(dǎo)體襯底上制造兩個(gè)高濃度的N型區(qū)，并分別將它們作為源極s和漏極D，然后在襯底的外表制造一層Si02絕緣層，并在上面引出一個(gè)電極作為柵極G。圖2-35(b)所示是其在電路中的符號(hào)。
式中，UT為開(kāi)啟電壓（或閾值電壓）；μn為溝道電子運(yùn)動(dòng)的遷移率；Cox為巾位面積柵極電容；W為溝道寬度；疋為溝道長(zhǎng)度；W/L為MOSFET的寬長(zhǎng)比。在MOSFET集成電路設(shè)計(jì)中，寬長(zhǎng)比是一個(gè)極為重要的參數(shù)。
n溝道MOS管的輸出特性曲線如圖2-37所示。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性相似，它也分為恒流區(qū)、叮變電阻區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。其特性如下所示。
①截止區(qū)：UGS≤UT，導(dǎo)電溝道未構(gòu)成，iD=0。
②恒流區(qū)：
1、曲線距離平均，UGS對(duì)iP的控制才能強(qiáng)；
2、UDS對(duì)iD的控制才能弱，曲線平整；
3、進(jìn)入恒流區(qū)的條件，即預(yù)災(zāi)斷條件為UDS≥UCS-UT。
③可變電阻區(qū)：
可變電阻區(qū)的電流方程為：
因而，可變電阻區(qū)的輸出電阻rDS為
1．vGS對(duì)iD及溝道的控制作用
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）。從上圖（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。
若在柵-源極間加上正向電壓，即vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)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，因而使柵極附近的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，同時(shí)P襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。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)，如上圖（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，如上圖（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。我們把開(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。
由上述分析可知，N溝道增強(qiáng)型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，此時(shí)在漏-源極間加上正向電壓vDS，才有漏極電流產(chǎn)生。而且vGS增大時(shí)，溝道變厚，溝道電阻減小，iD增大。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。
2．vDS對(duì)iD的影響
如上圖（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《vGS–VT）時(shí)，它對(duì)溝道的影響不大，這時(shí)只要vGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨vDS近似呈線性變化。
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，如上圖（b）所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，如上圖（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。
MOSFET一直是大多數(shù)N溝道場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路電源（SMPS）選擇的晶體管技術(shù)。MOSFET用作主開(kāi)關(guān)晶體管，并用作門控整流器來(lái)提高效率。本設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)P溝道和N溝道增強(qiáng)型MOSFET做了比較，以便選擇最適合電源應(yīng)用的開(kāi)關(guān)。MOSFET一直是大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源（SMPS）首選的晶體管技術(shù)。當(dāng)用作門控整流器時(shí)，MOSFET是主開(kāi)關(guān)晶體管且兼具提高效率的作用。為選擇最適合電源應(yīng)用的開(kāi)關(guān)，本設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)P溝道和N溝道增強(qiáng)型MOSFET進(jìn)行了比較。
對(duì)市場(chǎng)營(yíng)銷人員，MOSFET可能代表能源傳遞最佳方案（Most Optimal Solution for Energy Transfer）的縮寫(xiě)。對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，它代表金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。
由于具有較低的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）和較小尺寸，N溝道MOSFET在產(chǎn)品選擇上超過(guò)了P溝道。在降壓穩(wěn)壓器應(yīng)用中，基于柵控電壓極性、器件尺寸和串聯(lián)電阻等多種因素，使用P溝道MOSFET或N溝道MOSFET作為主N溝道場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路。同步整流器應(yīng)用幾乎總是使用N溝道技術(shù)，這主要是因?yàn)镹溝道的RDS(on)小于P溝道的，并且通過(guò)在柵極上施加正電壓導(dǎo)通。
MOSFET多數(shù)是載流子器件， N溝道MOSFET在導(dǎo)電過(guò)程中有電子流動(dòng)。 P溝道在導(dǎo)電期間使用被稱為空穴的正電荷。電子的流動(dòng)性是空穴的三倍。盡管沒(méi)有直接的相關(guān)性，就RDS(on)而言，為得到相等的值，P溝道的管芯尺寸大約是N溝道的三倍。因此N溝道的管芯尺寸更小。
N溝道場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路N溝道MOSFET在柵-源極端子上施加適當(dāng)閾值的正電壓時(shí)導(dǎo)通；P溝道MOSFET通過(guò)施加給定的負(fù)的柵-源極電壓導(dǎo)通。
MOSFET的柵控決定了它們?cè)赟MPS轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。例如，N溝道MOSFET更適用于以地為參考的低側(cè)開(kāi)關(guān)，特別是用于升壓、SEPIC、正向和隔離反激式轉(zhuǎn)換器。在同步整流器應(yīng)用以及以太網(wǎng)供電（PoE）輸入整流器中，低側(cè)開(kāi)關(guān)也被用來(lái)代替二極管作為整流器。P溝道MOSFET最常用作輸入電壓低于15VDC的降壓穩(wěn)壓器中的高側(cè)開(kāi)關(guān)。根據(jù)應(yīng)用的不同，N溝道場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路N溝道MOSFET也可用作降壓穩(wěn)壓器高側(cè)開(kāi)關(guān)。這些應(yīng)用需要自舉電路或其它形式的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器。
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