場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。主要有兩種類型(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(metal-oxide semiconductor FET,簡(jiǎn)稱MOS-FET)。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。
場(chǎng)效應(yīng)管(FET)是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件,并以此命名。
由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電,又稱單極型晶體管。FET 英文為Field Effect Transistor,簡(jiǎn)寫成FET。
mos管是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。
場(chǎng)效應(yīng)管mos管結(jié)構(gòu)與工作原理
N溝道MOS管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)
場(chǎng)效應(yīng)mos管三極管分為:增強(qiáng)型(又有N溝道、P溝道之分)及耗盡型(分有N溝道、P溝道)。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見(jiàn)上圖。其中:電極 D(Drain) 稱為漏極,相當(dāng)雙極型三極管的集電極;
電極 G(Gate) 稱為柵極,相當(dāng)于的基極;
電極 S(Source)稱為源極,相當(dāng)于發(fā)射極。
場(chǎng)效應(yīng)mos管N溝道增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)
場(chǎng)效應(yīng)mos管N溝道增強(qiáng)型結(jié)構(gòu),在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個(gè)電極,分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層,在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個(gè)電極B,這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。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)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。
圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。
場(chǎng)效應(yīng)mos管N溝道增強(qiáng)型工作原理
(1)vGS對(duì)iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情況
從圖1(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。
② vGS>0 的情況
若vGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(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。
排斥空穴: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。吸引電子:將 P型襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。
(2)導(dǎo)電溝道的形成:
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),如圖1(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,如圖1(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。
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。
上面討論的N溝道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。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。溝道形成以后,在漏——源極間加上正向電壓vDS,就有漏極電流產(chǎn)生。
vDS對(duì)iD的影響
如圖(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
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,如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS,夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng),如圖2(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。
場(chǎng)效應(yīng)mos管N溝道耗盡型的基本結(jié)構(gòu)
(1)結(jié)構(gòu):
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。
(2)區(qū)別:
耗盡型MOS管在vGS=0時(shí),漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生,而增強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。
(3)原因:
制造N溝道耗盡型MOS管時(shí),在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子),如圖1(a)所示,因此即使vGS=0時(shí),在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下,漏——源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道),只要加上正向電壓vDS,就有電流iD。
如果加上正的vGS,柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來(lái)更多的電子,溝道加寬,溝道電阻變小,iD增大。反之vGS為負(fù)時(shí),溝道中感應(yīng)的電子減少,溝道變窄,溝道電阻變大,iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí),導(dǎo)電溝道消失,iD趨于零,管子截止,故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓,仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同,N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值,但是,前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0,vGS>0。
場(chǎng)效應(yīng)mos管P溝道耗盡型工作原理
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
場(chǎng)效應(yīng)mos管發(fā)熱分析
場(chǎng)效應(yīng)mos管,做電源設(shè)計(jì),或者做驅(qū)動(dòng)方面的電路,難免要用到MOS管。MOS管有很多種類,也有很多作用。做電源或者驅(qū)動(dòng)的使用,當(dāng)然就是用它的開(kāi)關(guān)作用。
無(wú)論N型或者P型MOS管,其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性,不會(huì)發(fā)生像三極管做開(kāi)關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng),因此在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中,MOS管的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。其主要原理如圖:
場(chǎng)效應(yīng)mos管工作原理
在開(kāi)關(guān)電源中常用MOS管的漏極開(kāi)路電路,如圖2漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載,叫開(kāi)路漏極,開(kāi)路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓,都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開(kāi)關(guān)器件。這就是MOS管做開(kāi)關(guān)器件的原理。當(dāng)然MOS管做開(kāi)關(guān)使用的電路形式比較多了。
NMOS管的開(kāi)路漏極電路
在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用方面,這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。比如,DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個(gè)MOS管來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)功能,這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量,然后把能量釋放給負(fù)載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率,因?yàn)轭l率越高,磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間,MOS管只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此,我們電路或者電源設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導(dǎo)損耗。
我們經(jīng)常看MOS管的PDF參數(shù),MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來(lái)定義導(dǎo)通阻抗,對(duì)開(kāi)關(guān)應(yīng)用來(lái)說(shuō),RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動(dòng))電壓VGS以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān),但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng),RDS(ON)是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外,慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了熱阻抗參數(shù),其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。
發(fā)熱情況如下
1.電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài),而不是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個(gè)原因。如果N-MOS做開(kāi)關(guān),G級(jí)電壓要比電源高幾V,才能完全導(dǎo)通,P-MOS則相反。沒(méi)有完全打開(kāi)而壓降過(guò)大造成功率消耗,等效直流阻抗比較大,壓降增大,所以U*I也增大,損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計(jì)電路的最忌諱的錯(cuò)誤。
2.頻率太高,主要是有時(shí)過(guò)分追求體積,導(dǎo)致頻率提高,MOS管上的損耗增大了,所以發(fā)熱也加大了。
3.沒(méi)有做好足夠的散熱設(shè)計(jì),電流太高,MOS管標(biāo)稱的電流值,一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流,也可能發(fā)熱嚴(yán)重,需要足夠的輔助散熱片。
4.MOS管的選型有誤,對(duì)功率判斷有誤,MOS管內(nèi)阻沒(méi)有充分考慮,導(dǎo)致開(kāi)關(guān)阻抗增大。
MOS管導(dǎo)通特性
導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān),相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng)),只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng),但由于導(dǎo)通電阻大,價(jià)格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動(dòng)中,通常還是使用NMOS。
MOS開(kāi)關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在,這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程,流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程,在這段時(shí)間內(nèi),MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開(kāi)關(guān)損失。
通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開(kāi)關(guān)頻率越快,損失也越大。導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間,可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開(kāi)關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
MOS管驅(qū)動(dòng)
跟雙極性晶體管相比,一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個(gè)很容易做到,但是,我們還需要速度。
在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動(dòng),實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流,因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是,普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS,導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
上邊說(shuō)的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓,設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高,導(dǎo)通速度越快,導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,一般4V導(dǎo)通就夠用了。
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