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​場效應(yīng)管(FET),把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的跨導(dǎo), 定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。市面上常有的一般為N溝道和P溝道,詳情參考下圖片(P溝道耗盡型MOS管)。而P溝道常見的為低壓mos管。

場效應(yīng)管通過投影一個電場在一個絕緣層上來影響流過晶體管的電流。事實(shí)上沒有電流流過這個絕緣體,所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化硅來作為GATE極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管,或,金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(mosfet)。因?yàn)镸OS管更小更省電,所以他們已經(jīng)在很多應(yīng)用場合取代了雙極型晶體管。

首先考察一個更簡單的器件——MOS電容——能更好的理解MOS管。這個器件有兩個電極,一個是金屬,另一個是extrinsic silicon(外在硅),他們之間由一薄層二氧化硅分隔開。金屬極就是GATE,而半導(dǎo)體端就是backgate或者body。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric(柵介質(zhì))。圖示中的器件有一個輕摻雜P型硅做成的backgate。這個MOS 電容的電特性能通過把backgate接地,gate接不同的電壓來說明。MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導(dǎo)體BACKGATE在WORK FUNCTION上的差異在電介質(zhì)上產(chǎn)生了一個小電場。在器件中,這個電場使金屬極帶輕微的正電位,P型硅負(fù)電位。這個電場把硅中底層的電子吸引到表面來,它同時把空穴排斥出表面。這個電場太弱了,所以載流子濃度的變化非常小,對器件整體的特性影響也非常小。

當(dāng)MOS電容的GATE相對于BACKGATE正偏置時發(fā)生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場加強(qiáng)了,有更多的電子從襯底被拉了上來。同時,空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高,會出現(xiàn)表面的電子比空穴多的情況。由于過剩的電子,硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉(zhuǎn)被稱為inversion,反轉(zhuǎn)的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續(xù)不斷升高,越來越多的電子在表面積累,channel變成了強(qiáng)反轉(zhuǎn)。Channel形成時的電壓被稱為閾值電壓Vt。當(dāng)GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時,不會形成channel。當(dāng)電壓差超過閾值電壓時,channel就出現(xiàn)了。

MOS電容:(A)未偏置(VBG=0V),(B)反轉(zhuǎn)(VBG=3V),(C)積累(VBG=-3V)。

正是當(dāng)MOS電容的GATE相對于backgate是負(fù)電壓時的情況。電場反轉(zhuǎn),往表面吸引空穴排斥電子。硅表層看上去更重的摻雜了,這個器件被認(rèn)為是處于accumulation狀態(tài)了。

MOS電容的特性能被用來形成MOS管。Gate,電介質(zhì)和backgate保持原樣。在GATE的兩邊是兩個額外的選擇性摻雜的區(qū)域。其中一個稱為source,另一個稱為drain。假設(shè)source 和backgate都接地,drain接正電壓。只要GATE對BACKGATE的電壓仍舊小于閾值電壓,就不會形成channel。Drain和backgate之間的PN結(jié)反向偏置,所以只有很小的電流從drain流向backgate。如果GATE電壓超過了閾值電壓,在GATE電介質(zhì)下就出現(xiàn)了channel。這個channel就像一薄層短接drain和source的N型硅。由電子組成的電流從source通過channel流到drain。總的來說,只有在gate 對source電壓V 超過閾值電壓Vt時,才會有drain電流。

在對稱的MOS管中,對source和drain的標(biāo)注有一點(diǎn)任意性。定義上,載流子流出source,流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置來決定了。有時晶體管上的偏置電壓是不定的,兩個引線端就會互相對換角色。這種情況下,電路設(shè)計師必須指定一個是drain另一個是source。

Source和drain不同摻雜不同幾何形狀的就是非對稱MOS管。制造非對稱晶體管有很多理由,但所有的最終結(jié)果都是一樣的。一個引線端被優(yōu)化作為drain,另一個被優(yōu)化作為source。如果drain和source對調(diào),這個器件就不能正常工作了。

晶體管有N型channel所有它稱為N-channel MOS管,或NMOS。P-channel MOS(PMOS)管也存在,是一個由輕摻雜的N型BACKGATE和P型source和drain組成的PMOS管。如果這個晶體管的GATE相對于BACKGATE正向偏置,電子就被吸引到表面,空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累,沒有channel形成。如果GATE相對于BACKGATE反向偏置,空穴被吸引到表面,channel形成了。因此PMOS管的閾值電壓是負(fù)值。由于NMOS管的閾值電壓是正的,PMOS的閾值電壓是負(fù)的,所以工程師們通常會去掉閾值電壓前面的符號。一個工程師可能說,"PMOS Vt從0.6V上升到0.7V", 實(shí)際上PMOS的Vt是從-0.6V下降到-0.7V。

1、開啟電壓VT

開啟電壓(又稱閾值電壓):使得源極S和漏極D之間開始形成導(dǎo)電溝道所需的柵極電壓;

標(biāo)準(zhǔn)的N溝道MOS管,VT約為3~6V;通過工藝上的改進(jìn),可以使MOS管的VT值降到2~3V。

2、直流輸入電阻RGS

即在柵源極之間加的電壓與柵極電流之比

這一特性有時以流過柵極的柵流表示

MOS管的RGS可以很容易地超過1010Ω。

3、漏源擊穿電壓BVDS

在VGS=0(增強(qiáng)型)的條件下 ,在增加漏源電壓過程中使ID開始劇增時的VDS稱為漏源擊穿電壓BVDS

ID劇增的原因有下列兩個方面:

(1)漏極附近耗盡層的雪崩擊穿

(2)漏源極間的穿通擊穿

有些MOS管中,其溝道長度較短,不斷增加VDS會使漏區(qū)的耗盡層一直擴(kuò)展到源區(qū),使溝道長度為零,即產(chǎn)生漏源間的穿通,穿通后,源區(qū)中的多數(shù)載流子,將直接受耗盡層電場的吸引,到達(dá)漏區(qū),產(chǎn)生大的ID

4、柵源擊穿電壓BVGS

在增加?xùn)旁措妷哼^程中,使柵極電流IG由零開始劇增時的VGS,稱為柵源擊穿電壓BVGS。

5、低頻跨導(dǎo)gm

在VDS為某一固定數(shù)值的條件下 ,漏極電流的微變量和引起這個變化的柵源電壓微變量之比稱為跨導(dǎo)

gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力,是表征MOS管放大能力的一個重要參數(shù)

一般在十分之幾至幾mA/V的范圍內(nèi)

6、導(dǎo)通電阻RON

導(dǎo)通電阻RON說明了VDS對ID的影響 ,是漏極特性某一點(diǎn)切線的斜率的倒數(shù)

在飽和區(qū),ID幾乎不隨VDS改變,RON的數(shù)值很大,一般在幾十千歐到幾百千歐之間

由于在數(shù)字電路中 ,MOS管導(dǎo)通時經(jīng)常工作在VDS=0的狀態(tài)下,所以這時的導(dǎo)通電阻RON可用原點(diǎn)的RON來近似

對一般的MOS管而言,RON的數(shù)值在幾百歐以內(nèi)

7、極間電容

三個電極之間都存在著極間電容:柵源電容CGS 、柵漏電容CGD和漏源電容CDS

CGS和CGD約為1~3pF,CDS約在0.1~1pF之間

8、低頻噪聲系數(shù)NF

噪聲是由管子內(nèi)部載流子運(yùn)動的不規(guī)則性所引起的。由于它的存在,就使一個放大器即便在沒有信號輸人時,在輸出端也出現(xiàn)不規(guī)則的電壓或電流變化

噪聲性能的大小通常用噪聲系數(shù)NF來表示,它的單位為分貝(dB)。這個數(shù)值越小,代表管子所產(chǎn)生的噪聲越小

低頻噪聲系數(shù)是在低頻范圍內(nèi)測出的噪聲系數(shù)

場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)約為幾個分貝,它比雙極性三極管的要小

做電源設(shè)計,或者做驅(qū)動方面的電路,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)動的使用,當(dāng)然就是用它的開關(guān)作用。

無論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控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性,不會發(fā)生像三極管做開關(guān)時的因基極電流引起的電荷存儲效應(yīng),因此在開關(guān)應(yīng)用中,MOS管的開關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。其主要原理如圖:圖1。

圖1 MOS管的工作原理

我們在開關(guān)電源中常用MOS管的漏極開路電路,如圖2漏極原封不動地接負(fù)載,叫開路漏極,開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。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。當(dāng)然MOS管做開關(guān)使用的電路形式比較多了。

圖2 NMOS管的開路漏極電路

在開關(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MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能,這些開關(guān)交替在電感里存儲能量,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)于一個導(dǎo)體。因此,我們電路或者電源設(shè)計人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導(dǎo)損耗。

我們經(jīng)�？碝OS管的PDF參數(shù),MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來定義導(dǎo)通阻抗,對開關(guān)應(yīng)用來說,RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動)電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān),但對于充分的柵極驅(qū)動,RDS(ON)是一個相對靜態(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)溫也會導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊規(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的最簡單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。

其發(fā)熱情況有:

1、電路設(shè)計的問題,就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài),而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個原因。如果N-MOS做開關(guān),G級電壓要比電源高幾V,才能完全導(dǎo)通,P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗,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)計電路的最忌諱的錯誤。

2、頻率太高,主要是有時過分追求體積,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、沒有做好足夠的散熱設(shè)計,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,對功率判斷有誤,MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮,導(dǎo)致開關(guān)阻抗增大。

型號 電壓/電流 封裝

2N7000 60V,0.115A TO-92

2N7002 60V,0.2A SOT-23

IRF510A 100V,5.6A TO-220

IRF520A 100V,9.2A TO-220

IRF530A 100V,14A TO-220

IRF540A 100V,28A TO-220

IRF610A 200V,3.3A TO-220

IRF620A 200V,5A TO-220

IRF630A 200V,9A TO-220

IRF634A 250V,8.1A TO-220

IRF640A 200V,18A TO-220

IRF644A 250V,14A TO-220

IRF650A 200V,28A TO-220

IRF654A 250V,21A TO-220

IRF720A 400V,3.3A TO-220

IRF730A 400V,5.5A TO-220

IRF740A 400V,10A TO-220

IRF750A 400V,15A TO-220

IRF820A 500V,2.5A TO-220

IRF830A 500V,4.5A TO-220

IRF840A 500V,8A TO-220

IRFP150A 100V,43A TO-3P

IRFP250A 200V,32A TO-3P

IRFP450A 500V,14A TO-3P

IRFP460A 600V 20A TO-3P

IRFR024A 60V,15A D-PAK

IRFR120A 100V,8.4A D-PAK

IRFR214A 250V,2.2A D-PAK

IRFR220A 200V,4.6A D-PAK

IRFR224A 250V,3.8A D-PAK

IRFR310A 400V,1.7A D-PAK