绝缘栅型场效应管之图解
绝缘栅型场效应管是一种利用半导体表面的电场效应,由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件,它的栅极与半导体之间是绝缘的,其电阻大于1000000000Ω。
增强型:VGS=0时,漏源之间没有导电沟道,在VDS作用下无iD。耗尽型:VGS=0时,漏源之间有导电沟道,在VDS作用下iD。
1. 结构和符号(以N沟道增强型为例)
在一块浓度较低的P型硅上扩散两个浓度较高的
N型区作为漏极和源极,
半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。
N沟道绝缘栅型场效应管结构动画
其他MOS管符号
2. 工作原理(以N沟道增强型为例) (1) VGS=0时,不管VDS极性如何,其中总有一个PN结反偏,所以不存在导电沟道。
VGS =0, ID =0
VGS必须大于0管子才能工作。
(2) VGS>0时,在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场,排斥P区多子空穴而吸引少子电子。当
VGS
达到一定值时P区表面将形成反型层把两侧的N区沟通,形成导电沟道。
VGS >0→g吸引电子→反型层→导电沟道
VGS↑→反型层变厚→ VDS ↑→ID↑
(3) VGS≥VT时而VDS较小时:VDS↑→ID ↑
VT:开启电压,在VDS作用下开始导电时的VGS°,VT = VGS —VDS
(4) VGS>0且VDS增大到一定值后,靠近漏极的沟道被夹断,形成夹断区。
VDS
↑→ID 不变
3、NMOS和PMOS 在实际项目中,我们基本都用增强型mos管,分为N沟道和P沟道两种。
我们常用的是NMOS,因为其导通电阻小,且容易制造。在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。
3.1.导通特性
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。
3.2.MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。
MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越高,损失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。
3.1.MOS管驱动
跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到,在
GS
,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
4、MOS管的分类
4.1.MOS管的分类
按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种;按导电方式:MOS管又分耗尽型与增强型,所以MOS场效应晶体管分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类。
4.2.MOS管应用
MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。而且由MOS管构成的CMOS传感器为相机提供了越来越高的画质,成就了更多的“摄影家”。
绝缘栅型场效应管之图解
绝缘栅型场效应管是一种利用半导体表面的电场效应,由感应电荷的多少改变导电沟道来控制漏极电流的器件,它的栅极与半导体之间是绝缘的,其电阻大于1000000000Ω。
增强型:VGS=0时,漏源之间没有导电沟道,在VDS作用下无iD。耗尽型:VGS=0时,漏源之间有导电沟道,在VDS作用下iD。
1. 结构和符号(以N沟道增强型为例)
在一块浓度较低的P型硅上扩散两个浓度较高的
N型区作为漏极和源极,
半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。
N沟道绝缘栅型场效应管结构动画
其他MOS管符号
2. 工作原理(以N沟道增强型为例) (1) VGS=0时,不管VDS极性如何,其中总有一个PN结反偏,所以不存在导电沟道。
VGS =0, ID =0
VGS必须大于0管子才能工作。
(2) VGS>0时,在Sio2介质中产生一个垂直于半导体表面的电场,排斥P区多子空穴而吸引少子电子。当
VGS
达到一定值时P区表面将形成反型层把两侧的N区沟通,形成导电沟道。
VGS >0→g吸引电子→反型层→导电沟道
VGS↑→反型层变厚→ VDS ↑→ID↑
(3) VGS≥VT时而VDS较小时:VDS↑→ID ↑
VT:开启电压,在VDS作用下开始导电时的VGS°,VT = VGS —VDS
(4) VGS>0且VDS增大到一定值后,靠近漏极的沟道被夹断,形成夹断区。
VDS
↑→ID 不变
3、NMOS和PMOS 在实际项目中,我们基本都用增强型mos管,分为N沟道和P沟道两种。
我们常用的是NMOS,因为其导通电阻小,且容易制造。在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。
3.1.导通特性
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。
3.2.MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有。
MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越高,损失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。
3.1.MOS管驱动
跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了。这个很容易做到,但是,我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到,在
GS
,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
4、MOS管的分类
4.1.MOS管的分类
按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种;按导电方式:MOS管又分耗尽型与增强型,所以MOS场效应晶体管分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类。
4.2.MOS管应用
MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。而且由MOS管构成的CMOS传感器为相机提供了越来越高的画质,成就了更多的“摄影家”。