MOS管是起開關(guān)作用的元件,其工作原理其實非常簡答, 同過工作原理,我們用PWM電路實現(xiàn)對MOS關(guān)開關(guān)導通控制,下面我們詳細介紹其工作過程。首選給帶來的是基本概念和其結(jié)構(gòu)圖。如下:
場效應管(FET)分為結(jié)型場效應管(JFET)和絕緣柵型場效應管MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管,即金屬-氧化物-半導體。下面以增強型NMOS為例,介紹MOS管的工作原理。
增強型NMOS的結(jié)構(gòu)圖如圖 18所示,在參雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個高參雜濃度的N型溝槽。分別用鋁從兩個N型溝槽中引出兩個電極分別作為源極S和漏極D(此時的源極和漏極在結(jié)構(gòu)上沒有區(qū)別是可以互換的)。然后在半導體的表面覆蓋一層很薄的SiO2絕緣層。在漏源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極;作為柵極G。另外在襯底上也引出一個電極B。
圖 18
在出廠前大多數(shù)MOS管的襯底已經(jīng)和源極連在了一起,此時源極S和漏極D就有了區(qū)別,不能再互換了。
在UGS=0時,無論UDS的大小和極性,都會使得2個GS和DG這兩個PN結(jié)中一個正偏,另一個反偏。但是由于兩個N區(qū)之間被P襯底隔離,所以沒有辦法形成電流,情況如圖 19所示。
圖 19
當在柵源極之間加上正向電壓(所謂的正向電壓永遠是指電場方向是從P區(qū)指向N區(qū))后,則在柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場,這個電場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,剩下不能移動的受主離子(負離子),形成耗盡層,同時P襯底中的少子電子被吸引到襯底表面。當UGS增加大一定大小時,隨著SiO2絕緣層中電場的增強,會將更多的電子吸引到P襯底的表面,于是柵極附近會形成一個N型薄層,且與兩個N區(qū)聯(lián)通。此時就形成了導電溝道,于是在DS之間就有電流可以通過了,其情況如圖 20所示。
圖 20
在這個階段,如果UDS保持不變,UGS增加會導致導電溝道變厚,從而ID變大。
(預夾斷的形成是在理解初期的一個難點,這里的描述是參考了一些文獻之后自己的理解,正確性還需要考證)
當UGS>UGSTH時,導電溝道形成,與S和D極連在一起形成了一個大的N型半導體。所以當在DS間加上正電壓之后,電流可以在N型半導體中流動。
設想UDS=0時,ID=0,SiO2絕緣層與導電溝道之間的電場是均勻分布的,即從D到S的導電溝道一樣厚。但是導電溝道作為導體的一部分,一定是有電阻的。隨著UDS的增加,ID的增大,靠近S端的電勢會比靠近N處的電勢要低。這里很重要的一點是在這個過程中SiO2平面上各個點的電勢是均勻的,所以在導電溝道不同點與SiO2之間的電場強度是不一樣的。
如果以S端的電勢為0的話,隨著ID的不斷增大,D點的電勢會達到UGS-UGSTH。此時UG與UD之間的電勢差為UGSTH,此時靠近D點處的電勢差恰好達到可以產(chǎn)生導電溝道的情況,于是在D極處就開始出現(xiàn)如圖 21所示的預夾斷。
圖 21
隨著ID的繼續(xù)增大,預夾斷的點會不斷往左移動,如圖 22所示。但是無論如何移動,預夾斷點與G之間的電壓差保持為|UGSTH|。
圖 22
另外非常重要的一點是,在預夾斷的區(qū)域內(nèi),縱向的電勢差不足以出現(xiàn)導電溝道,但是由于DS間的電勢差都落在了這段預夾斷區(qū)域內(nèi)(即D極至夾斷點區(qū)域內(nèi),且方向是從D極橫向指向夾斷點),于是夾斷區(qū)內(nèi)有很強的橫向電場。于是當載流子到達夾斷區(qū)邊沿時,會被電場拉出,從D極輸出。所以預夾斷并不是不能導電,反而可以很好地完成導電。
有了以上認識就可以解釋為什么在預夾斷過程中UDS繼續(xù)增大,ID的值可以保持不變。在進入預夾斷之后,UDS繼續(xù)增大的過程中,夾斷點不斷向S極移動,但是保持了夾斷點和S極之間的電壓保持不變(數(shù)值上等于|UGSTH|)。即增加的UDS的電壓全部落在了夾斷區(qū)內(nèi)。(這里有一點沒法從原理上解釋,但是可以從結(jié)果反推,就是雖然導電溝道的長度在縮短,但是電阻值沒有什么變化)于是ID的值保持不變。
當反向電壓達到一定程度的時候就出現(xiàn)了反向擊穿,場效應管就壞了。
圖 23
圖 24
圖 23和圖 24的左側(cè)為漏極輸出特性曲線,右側(cè)為轉(zhuǎn)移特性曲線。
特性曲線中在VGS=-4V的曲線下方可以成為截止區(qū),該區(qū)域的情況是VGS還沒有到達導電溝道導通電壓,整個MOS管還沒有開始導電。
可變電阻區(qū)又稱為放大區(qū),在VDS一定的的情況下ID的大小直接受到VGS的控制,且基本為線性關(guān)系。注意三極管中的放大區(qū)和MOS管的放大區(qū)有很大區(qū)別,不能覺得是相似的。
恒流區(qū)又稱為飽和區(qū),此時ID大小只收到VGS的控制,VDS變化過程中ID的大小不變。
場效應管的分類列表如下:
圖 25
圖 26
本文中詳細介紹的是絕緣柵型場效應管,如圖 26右側(cè)圖所示。而左側(cè)這種結(jié)構(gòu)稱為結(jié)型場效應管,其工作原理大致如下:
在UGS沒有電壓的情況下,在兩個P區(qū)之間形成N區(qū)通道,連接著D極和S極。當UDS有電壓時在N型半導體內(nèi)形成電流。當G、S間加上反向電壓UGS后(所謂反向電壓是指從N區(qū)指向P區(qū)的電壓),在電場力作用下N區(qū)通道逐漸變窄,直至消失,從而ID減為0。其特性曲線如圖 27所示。
圖 27
圖 28
本文中詳細介紹的是增強型絕緣柵型場效應管,耗盡型絕緣柵型場效應管在SiO2絕緣層中摻雜了大量的金屬正離子,所以在UGS沒有電壓的情況下這些正離子感應出反型層,形成導電溝道;于是UGS的作用就是抑制導電溝道。
就是中間的半導體類型是P還是N。
只有一根垂直線的為結(jié)型場效應管;兩個線的為絕緣柵型晶體管。
第二根線為虛線,為增強型絕緣柵型晶體管;為實線的為耗盡型晶體管。
箭頭永遠從P指向N,而且永遠是從G(漏)極輸出。結(jié)型場效應管和絕緣柵型晶體管箭頭作用看起來有點反的原因是G極的位置不同了。