绝缘栅型场效应管的工作原理和应用

绝缘栅场效应管由金属、氧化物和半导体制成,故称MOS管。MOS管按工作状态分为增强型和耗尽型两类,每一类又分为N沟道和P沟道。下面以N沟道增强型场效应管为例讨论场效应管的结构、工作原理和特性。

(1)结构和电路符号

N沟道增强型绝缘栅型场效应管的结构示意图如图8.8.1所示。它是以一块P型材料为衬底,在表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)的绝缘层,在二氧化硅上刻出两个窗口,再通过掺入高浓度的五价元素形成两个高掺杂的N区,用N+表示,并分别引出源极(s)和漏极(d),然后在源极和漏极之间覆盖一层金属薄层,在金属薄层上引出栅极,最后封装而构成。栅极和源极、漏极是绝缘的,故输入电阻(栅源电阻)可高达1014Ω。增强型绝缘栅型场效应管N沟道和P沟道的电路符号如图8.8.2所示。

图8.8.1　N沟道增强型场效应管内部结构

图8.8.2　增强型场效应管电路符号

(2)N沟道增强型场效应管工作原理

①在uGS=0时,漏极和源极之间是两个背靠背的PN结,故漏极和源极之间无论加何种极性的电压,漏极电流都为零。

②在uDS=0,uGS>0时,栅极金属薄层与衬底之间为绝缘层二氧化硅,它们构成一个电容器,uGS产生一个由栅极垂直指向于表面的电场,它将P型衬底中的电子吸引到表面层。当uGS<UGS(th)时,吸引到表面层的电子数量少,并与P型中的空穴复合,形成不能导电的空间电荷区。只有当uGS>UGS(th)时,吸引到表面层的电子在填满空穴后,多余的电子在P型衬底的表面层形成一个自由电子占多数的N型层,称为反型层,即是漏极和源极之间的导电沟道。uGS增大到刚刚开始形成导电沟道的这个电压,称为开启电压,用UGS(th)表示。但因此时uDS=0,故漏极电流iD=0。

③当uGS>UGS(th)时,在漏极和源极之间就可建立起导电的沟道,此时若uDS>0,则有漏极电流iD≠0。uGS越大,吸引的电子数量越多,导电沟道越厚,沟道等效电阻越小。因这种场效应管必须依靠外加电压来形成导电沟道,故称增强型。(www.xing528.com)

综上所述,在0≤uGS<UGS(th)时,漏极和源极间的导电沟道并未导通,iD=0。只有当uGS>UGS(th)时,漏极和源极间的导电沟道导通,栅源电压的变化使iD也随之而变化。因此,绝缘栅场效应管是利用uGS(栅源电压)来控制漏极电流iD,即电压控制电流器件。

(3)N沟道增强型场效应管特性曲线

当场效应管的漏源电压uDS恒定不变时,漏极电流iD与栅源电压uGS之间的关系,称为转移特性,如图8.8.3(a)所示。当uGS<UGS(th)时,导电沟道尚未形成,iD为零。当uGS=UGS(off)时,导电沟道形成,且导电沟道随uGS增大而变宽,漏极电流iD随之增大。

当场效应管的栅源电压uGS恒定时,漏极电流iD与漏源电压uDS之间的关系,称为输出特性。输出特性表明场效应管为非线性器件,并根据工作状态分为可变电阻区、恒流区和截止区,如图8.8.3(b)所示。

图8.8.3　N沟道增强型场效应管特性曲线

增强型P沟道绝缘栅场效应管的工作原理与N沟道相似,只是要变换电源的极性,漏极电流的方向也相反。

(4)场效应管的主要参数

跨导gm是在uDS恒定的条件下,漏极电流与栅源电压的变化量之比,用于表征场效应管放大能力的参数,即

漏极击穿电压U(BR)DS、栅源击穿电压U(BR)GS和漏极最大允许耗散功率PDM是场效应管的极限参数。在选用场效应管时,仍然遵循“尽限使用,留有余量”的原则。