MOSFET(MOS管)原理概述

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简介:MOSFET的全名是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,中文名是金属氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效应管。

介绍-INTRODUCTION

MOSFET的全名是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,中文名是金属氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效应管。

所以MOSFET的M以前是指METAL,用作栅极(GATE)绝缘层,但现在大多用多晶硅,因其耐温。然而随着半导体尺寸不断缩小,金属作为栅极材料又得到研究人员的关注。

MOSFET其实是一种单极型的电压控制半导体器件,栅极直流输入阻抗极高,具有驱动功率小、开关速度高、无二次击穿现象、安全区域宽的特点,开关频率高达500KH以上,特别适合在高频的装置上应用,但是MOSFET电流容量小、耐压低,就只能用于中小功率的装置。

结构-STRUCTURE

如图

源极(Source):提供多数载流子(P型-空穴、N型-电子)的来源

漏极(Drain):接受这些多数载流子的端点

栅极(Gate):多晶硅组成,NMOSFET时接受正电压,PMOSFET时接受负电压

基极(Bulk/Body):硅,在基极中可分为P型半导体掺杂和N型半导体掺杂。

由栅极+氧化层(二氧化硅)+基极= MOS电容

电路符号-CIRCIRT SYMBOLS

在一般分散式MOSFET中,通常把基极和源极接在一起,故分散式MOSFET通常为三端组件。

有时也会将代表沟道的直线以虚线代替,以区分增强型MOSFET或是耗尽型MOSFET。

关于下图我是从wikipedia抄来的,我只能理解第二和最后一组的判别。所以我就来讲解一下这两组,在这两组的判断中,我们利用图中的箭头永远是从P型指向N型的这一原理。当箭头从沟道指向源极(基极)时,为PMOSET,从源极指向沟道时为NMOSFET。

操作原理-OPERATING PRINCILPE

MOSFET开关原理:

1在这个N型MOS电容结构示意图,在这个图中,从上到下是栅极(多晶硅),氧化层(二氧化硅),基极(P型半导体),两遍分别是源极和漏极,他们都是N型的

2图中的N+,"N"是指N型掺杂,而当漏极和源极为N型掺杂时,此MOS就是N型MOSFET,反之亦然;"+"是指载流子的高浓度区,比其边上的要高,即浓度比基极要高。

3由于此处为NMOSFET,则沟道是由电子建立,而要基极(P型掺杂,即空穴比较多,所以一般情况下不通电)中的电子被吸到基极表面(即与氧化层相接处)形成浓度超过

空穴的反转层(即电子通道,亦即N沟道),所以,要在栅极加上足够的正电压。加负电压时截止

4若是PMOSFET时,则沟道是由空穴建立,所以当栅极上加上负电压时,基极与氧化层相接处形成反转层(即空穴通道),而此时两边的源极和漏极又正好是P型掺杂,所以得以接通导电。反之截止

注:P型=空穴多;N型=电子多。

反转层:电子浓度超过空穴浓度的区域,反之亦是。

操作模式-OPERATING MODE

MOSFET的操作模式:

1线性区(三极区):当Vgs>Vth, Vds时,该MOS为导通状态,此时的MOS类似一个压控电阻,而漏极电流-电压关系近似一个线性方程式。示意图如图

2饱和区:当Vgs>Vth,Vds>Vgs-Vth时,即漏极-基极的电压比沟道-漏极的电压要高。超过栅极电压时,会使得接近漏极区的反转层电荷为零,即此处沟道消失,亦名夹止。主要原因在于靠近元几区的栅极电压以及不足以让沟道反转,而造成所能提供的载流子有限,限制了沟道的电流大小。

3当Vgs<vth< span="">,该MOSFET处于截止状态,沟道无法反转,MOSFET不导通。而事实上,即使Vgs<vth< span="">时,仍然会有高能量载流子可以从半导体表面流至漏极,还会形成一个弱反转层。该情况在如动态随机存储储存器(DRAM)这样的拥有大量MOSFET的集成电路中,会造成额外的能量消耗。

注:Vgs:栅极(Gate)到源极(Source)的电压;Vth:临界电压

Vds:漏极(Drain)到源极的电压

应用和特点-APPLICATIONS AND ADVENTAGES

MOSFET更适合高频下运用,它的稳定性,和相对独立性要强于晶体管,尤其MOSFET属于压控流器件,就是电压控制电流器件,对电路前后干扰较小。

在开关电源中的应用简述:

开关电源的目的就是把直流型电源变成另一个直流型电源。

为了变压------需要变压器----而变压器只感应交流电-------于是用MOSFET等(IGBT)电控开关把直流电源变成交流电,最后再用整流电路把变好的交流电变回需要的直流电源。

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