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絕緣柵場效應管(IGFET) 的基本知識

2009年11月09日 15:46 www.xsypw.cn 作者:佚名 用戶評論(0
絕緣柵場效應管(IGFET) 的基本知識

1.增強型NMOS管

s:Source 源極,d:Drain 漏極,g:Gate 柵極,B:Base 襯底,在P型襯底擴散上2個N 區,P型表面加SiO2絕緣層,在N 區加鋁線引出電極。

2.增強型PMOS管

在N型襯底上擴散上2個P 區,P型表面加SiO2絕緣層,在二個P 區加鋁線引出電極。PMOS與NMOS管的工作原理完全相同,只是電流和電壓方向不同。

3.增強型NMOS管的工作原理

正常工作時外加電源電壓的配置:

(1)VGS=0, VDS=0:漏源間是兩個背靠背串聯的PN結,所以d-s間不可能有電流流過,即iD≈0。

(2)當VGS>0,VDS=0時:d-s之間便開始形成導電溝道。 開始形成導電溝道所需的最小電壓稱為開啟電壓VGS(th)(習慣上常表示為VT)。

溝道形成過程作如下解釋:此時,在柵極與襯底之間產生一個垂直電場(方向為由柵極指向襯底),它使漏-源之間的P型硅表面感應出電子層(反型層)使兩個N 區溝通,形成N型導電溝道。如果,此時再加上VDS電壓,將會產生漏極電流iD。當VGS=0時沒有導電溝道,而當VGS 增強到>VT時才形成溝道,所以稱為增強型MOS管。并且VGS越大,感應電子層越厚,導電溝道越厚,等效溝道電阻越小,iD越大。

(3)當VGS>VT,VDS>0后, 漏-源電壓VDS產生橫向電場:由于溝道電阻的存在,iD沿溝道方向所產生的電壓降使溝道上的電場產生不均勻分布。近s端電壓差較高,為VGS;近d端電壓差較低,為VGD=VGS-VDS,所以溝道的形狀呈楔形分布。

1)當VDS較小時:VDS對導電溝道的影響不大,溝道主要受VGS控制, 所以VGS為定值時,溝道電阻保持不變,iD隨VDS 增加而線性增加。此時,柵漏間的電壓大于開啟電壓,溝道尚未夾斷,

2)當VDS增加到VGS-VDS=VT時(即VDS=VGS-VT):柵漏電壓為開啟電壓時,漏極端的感應層消失,溝道被夾斷,稱為“預夾斷”。

3)當VDS再增加時(即VDS>VGS-VT或VGD=VGS-VDST):iD將不再增加而基本保持不變。因為VDS再增加時,近漏端上的預夾斷點向s極延伸,使VDS的增加部分降落在預夾斷區,以維持iD的大小,

伏安特性與電流方程:

(1) 增強型NMOS管的轉移特性:在一定VDS下,柵-源電壓VGS與漏極電流iD之間的關系:

IDO是VGS=2VT時的漏極電流。

(2) 輸出特性(漏極特性)

表示漏極電流iD漏-源電壓VDS之間的關系:

與三極管的特性相似,也可分為3個區:可變電阻區,放大區(恒流區、飽和區), 截止區(夾斷區)。可變電阻區管子導通,但溝道尚未預夾斷,即滿足的條件為:。在可變電阻區iD僅受VGS的控制,而且隨VDS增大而線性增大。可模擬為受VGS控制的壓控電阻RDS,。放大區(溝道被預夾斷后),又稱恒流區、飽和區。條件是:。特征是iD主要受VGS控制,與VDS幾乎無關,表現為較好的恒流特性。 夾斷區又稱截止區,管子沒有導電溝道( VGS<VT )時的狀態,

4.耗盡型NMOS管

在制造過程中,人為地在柵極下方的SiO2絕緣層中埋入了大量的K (鉀)或Na (鈉)等正離子 ;VGS=0,靠正離子作用,使P型襯底表面感應出N型反型層,將兩個N 區連通,形成原始的N型導電溝道;VDS一定,外加正柵壓(VGS>0),導電溝道變厚,溝道等效電阻下降,漏極電流iD增大; 外加負柵壓VGS<0)時,溝道變薄,溝道電阻增大,iD減小;VGS負到某一定值VGS(off)(常以VP表示,稱為夾斷電壓),導電溝道消失,整個溝道被夾斷,iD≈0,管子截止 。

耗盡型NMOS的伏安特性:

點擊看大圖

放大區的電流方程:,IDSS為飽和漏極電流,是VGS=0時耗盡型MOS管的漏極電流。

二、結型場效應管(JFET)

結構與符號:

在N區兩側擴散兩個P+區,形成兩個PN結。兩個P+區相連,引出柵極g。N體的上下兩端分別引出漏極d和源極s。

導電原理:點擊看大圖

(1)VGS=0時,N型棒體導電溝道最寬(N型區)。有了VDS后,溝道中的電流最大。

(2)VGS<0時,耗盡層加寬(主要向溝道一測加寬),并向溝道中間延伸,溝道變窄。

當VGS<VP(稱為夾斷電壓)時,二個耗盡層增大到相遇,溝道消失,這時稱溝道夾斷,溝道中的載流子被耗盡。若有VDS電壓時,溝道電流也為零。所以屬于耗盡型FET,原理和特性與耗盡型MOSFET相似。所不同的是JFET正常工作時,兩個PN結必須反偏,如對N溝道JFET,要求VGS≤0。

加上負VGS電壓和VDS電壓以后,VGD的負壓比VGS大,所以,二個反偏PN結的空間電荷區變得上寬下窄,使溝道形成楔形。

JFET通過VGS改變半導體內耗盡層厚度(溝道的截面積)控制iD,稱為體內場效應器件;MOSFET主要通過改變襯底表層溝道的厚度來控制iD,稱為表面場效應器件。

JFET的伏安特性(以N溝道JFET為例):伏安特性曲線和電流方程與耗盡型MOSFET相似。但VGS必定要反向偏置。

三、場效應管的主要參數

1.直流參數

開啟電壓VT: 增強型管的參數;夾斷電壓VP:耗盡型管的參數;飽和漏極電流IDSS: 指耗盡型管在VGS=0時的漏極電流;輸入電阻 RGS(DC):因iG=0,所以輸入電阻很大。JFET大于107Ω,MOS管大于1012Ω。

2.交流參數

低頻跨導(互導)gm,跨導gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力,且與工作點有關,是轉移特性曲線上過Q點切線的斜率。gm的單位是mS;交流輸出電阻rds:,rds反映了漏源電壓對漏極電流的影響程度,在恒流區內,是輸出特性曲線上過Q點的切線斜率的倒數。其值一般為若幾十kΩ。

3.極限參數

最大漏-源電壓V(BR)DS :漏極附近發生雪崩擊穿時的VDS;最大柵-源電壓V(BR)GS : 柵極與源極間PN結的反向擊穿電壓;最大耗散功率PDM:同三極管的PCM相似,當超過PDM時,管子可能燒壞。

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