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    • 發(fā)布時(shí)間:2019-11-30 17:50:41
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    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理詳解
    n溝道增強(qiáng)型MOS管
    (一)構(gòu)造
    絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管的構(gòu)造表示圖如圖2-34所示。
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
    (2)n溝道增強(qiáng)型MOS管
    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)。
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
    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)。
    (3)n溝道增強(qiáng)型輸出特性曲線(xiàn)
    n溝道MOS管的輸出特性曲線(xiàn)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。
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
    ②恒流區(qū):
    1、曲線(xiàn)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(xiàn)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:
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
    因而,可變電阻區(qū)的輸出電阻rDS為
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
    n溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理
    1.vGS對(duì)iD及溝道的控制作用
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
    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(chǎng)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(lèi)型與P襯底相反,故又稱(chēng)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(chēng)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(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。
    2.vDS對(duì)iD的影響
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
    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(xiàn)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。
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)電路
    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(mén)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(mén)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(xiāo)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(chēng)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。
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管型號(hào)-30V
    n溝道場(chǎng)效應(yīng)管工作原理
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