場效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型兩大類。按導(dǎo)電方式來劃分,場效應(yīng)管又可分成耗盡型與增強型。絕緣柵型場效應(yīng)管(JGFET)因柵極與其它電極完全絕緣而得名。
目前在絕緣柵型場效應(yīng)管中,應(yīng)用最為廣泛的是MOS場效應(yīng)管,簡稱MOS管(場效應(yīng)管MOSFET);此外還有PMOS、NMOS和VMOS功率場效應(yīng)管,以及πMOS場效應(yīng)管、VMOS功率模塊等。
絕緣柵型場效應(yīng)管具有比結(jié)型場效應(yīng)管更高的輸入阻抗(可達1012Ω以上),并且制造工藝比較簡單,使用靈活方便,非常有利于高度集成化。
絕緣柵型場效應(yīng)管分為:
N溝道增強型管
刪源間需要加一定正向電壓才能管子才能開啟,有一個開啟電壓Ugs;電流隨柵源間正向電壓增大而增大,轉(zhuǎn)移特性曲線在第一象限,和三極管類似。
N溝道耗盡型管
漏源之間存在導(dǎo)電溝道,無需加刪壓就能導(dǎo)電,開啟電壓Ugs(off)為負值,電流隨正向電壓增大而增大,轉(zhuǎn)移特性曲線在一、四象限。
P溝道增強型管
刪源間需要加一定反向電壓才能管子才能開啟,電流隨反向電壓增大而增大,轉(zhuǎn)移特性曲線與N溝道增強型相反,在第四象限。
P溝道耗盡型管
與N溝道耗盡型類似,漏源之間存在導(dǎo)電溝道,無需加刪壓就能導(dǎo)電,開啟電壓Ugs(off)為正值,隨反向電壓增大而增大。轉(zhuǎn)移特性曲線在二、三象限。
絕緣柵型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)
圖1是N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號。它是在一塊P型硅襯底上,擴散兩個高濃度摻雜的N+區(qū),在兩個N+區(qū)之間的硅表面上制作一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層,然后在SiO2和兩個N型區(qū)表面上分別引出三個電極,稱為源極s、柵極g和漏極d。在其圖形符號中,箭頭表示漏極電流的實際方向。
絕緣柵型場效應(yīng)管原理
絕緣柵場效應(yīng)管的導(dǎo)電機理是,利用UGS 控制"感應(yīng)電荷"的多少來改變導(dǎo)電溝道的寬窄,從而控制漏極電流ID。若UGS=0時,源、漏之間不存在導(dǎo)電溝道的為增強型MOS管,UGS=0 時,漏、源之間存在導(dǎo)電溝道的為耗盡型MOS管。
圖2中襯底為P型半導(dǎo)體,在它的上面是一層SiO2薄膜、在SiO2薄膜上蓋一層金屬鋁,如果在金屬鋁層和半導(dǎo)體之間加電壓UGS,則金屬鋁與半導(dǎo)體之間產(chǎn)生一個垂直于半導(dǎo)體表面的電場,在這一電場作用下,P型硅表面的多數(shù)載流子-空穴受到排斥,使硅片表面產(chǎn)生一層缺乏載流子的薄層。同時在電場作用下,P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子-電子被吸引到半導(dǎo)體的表面,并被空穴所俘獲而形成負離子,組成不可移動的空間電荷層(稱耗盡層又叫受主離子層)。
UGS愈大,電場排斥硅表面層中的空穴愈多,則耗盡層愈寬,且UGS愈大,電場愈強;當UGS 增大到某一柵源電壓值VT(叫臨界電壓或開啟電壓)時,則電場在排斥半導(dǎo)體表面層的多數(shù)載流子-空穴形成耗盡層之后,就會吸引少數(shù)載流子-電子,繼而在表面層內(nèi)形成電子的積累,從而使原來為空穴占多數(shù)的P型半導(dǎo)體表面形成了N型薄層。
由于與P型襯底的導(dǎo)電類型相反,故稱為反型層。在反型層下才是負離子組成的耗盡層。這一N型電子層,把原來被PN結(jié)高阻層隔開的源區(qū)和漏區(qū)連接起來,形成導(dǎo)電溝道。
用圖2所示電路來分析柵源電壓UGS控制導(dǎo)電溝道寬窄,改變漏極電流ID 的關(guān)系:當UGS=0時,因沒有電場作用,不能形成導(dǎo)電溝道,這時雖然漏源間外接有ED電源,但由于漏源間被P型襯底所隔開,漏源之間存在兩個PN結(jié),因此只能流過很小的反向電流,ID ≈0;當UGS>0并逐漸增加到VT 時,反型層開始形成,漏源之間被N溝道連成一體。
這時在正的漏源電壓UDS作用下;N溝道內(nèi)的多子(電子)產(chǎn)生漂移運動,從源極流向漏極,形成漏極電流ID。顯然,UGS愈高,電場愈強,表面感應(yīng)出的電子愈多,N型溝道愈寬溝道電阻愈小,ID愈大。
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