二極管,電子元件當(dāng)中,一種具有兩個電極的裝置,只允許電流由單一方向流過,許多的使用是應(yīng)用其整流的功能。而變?nèi)荻O管(Varicap Diode)則用來當(dāng)作電子式的可調(diào)電容器。大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流(Rectifying)”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過(稱為順向偏壓),反向時阻斷 (稱為逆向偏壓)。因此,二極管可以想成電子版的逆止閥。
寄生二極管的由來
是由生產(chǎn)工藝造成的,大功率MOS管漏極從硅片底部引出,就會有這個寄生二極管。小功率MOS管例如集成芯片中的MOS管是平面結(jié)構(gòu),漏極引出方向是從硅片的上面也就是與源極等同一方向,沒有這個二極管。模擬電路書里講得就是小功率MOS管的結(jié)構(gòu),所以沒有這個二極管。但D極和襯底之間都存在寄生二極管,如果是單個晶體管,襯底當(dāng)然接S極,因此自然在DS之間有二極管。如果在IC里面,N—MOS襯底接最低的電壓,P—MOS襯底接最高電壓,不一定和S極相連,所以DS之間不一定有寄生二極管。
寄生二極管的作用
當(dāng)電路中產(chǎn)生很大的瞬間反向電流時,可以通過這個二極管導(dǎo)出來,不至于擊穿這個MOS管。(起到保護MOS管的作用)
溝槽Trench型N溝道增強型功率MOSFET的結(jié)構(gòu)如下圖所示,在N-epi外延層上擴散形成P基區(qū),然后通過刻蝕技術(shù)形成深度超過P基區(qū)的溝槽,在溝槽壁上熱氧化生成柵氧化層,再用多晶硅填充溝槽,利用自對準(zhǔn)工藝形成N+源區(qū),背面的N+substrate為漏區(qū),在柵極加上一定正電壓后,溝槽壁側(cè)的P基區(qū)反型,形成垂直溝道。
由下圖中的結(jié)構(gòu)可以看到,P基區(qū)和N-epi形成了一個PN結(jié),即MOSFET的寄生體二極管。
MOSFET剖面結(jié)構(gòu)
MOS管寄生二極管的方向判斷
MOS管開關(guān)電路學(xué)習(xí)過模擬電路的人都知道三極管是流控流器件,也就是由基極電流控制集電極與發(fā)射極之間的電流;而MOS管是壓控流器件,也就是由柵極上所加的電壓控制漏極與源極之間電流。MOSFET管是FET的一種,可以被制造為增強型或者耗盡型,P溝道或N溝道共四種類型,但實際應(yīng)用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管。實際應(yīng)用中,NMOS居多。
上圖左邊是N溝道的MOS管,右邊是P溝道的MOS管寄生二極管的方向如何判斷呢?它的判斷規(guī)則就是對于N溝道,由S極指向D極;對于P溝道,由D極指向S極。
如何分辨三個極?D極單獨位于一邊,而G極是第4PIN。剩下的3個腳則是S極。它們的位置是相對固定的,記住這一點很有用。請注意:不論NMOS管還是PMOS管,上述PIN腳的確定方法都是一樣的。
MOS管導(dǎo)通特性導(dǎo)通的意思是作為開關(guān),相當(dāng)于開關(guān)閉合。NMOS的特性:Vgs大于某一值管子就會導(dǎo)通,適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動),只要柵極電壓達(dá)到4V就可以了。PMOS的特性:Vgs小于某一值管子就會導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。
下圖是MOS管開關(guān)電路,輸入電壓是Ui,輸出電壓是Uo。當(dāng)Ui較小時,MOS管是截止的, Uo=Uoh=Vdd;當(dāng)Ui較大時,MOS管是導(dǎo)通的, Uo =Ron/(Ron+Rd)*Vdd,由于Ron<
應(yīng)用實例:以下是某筆記本主板的電路原理圖分析,在此mos管是開關(guān)作用:PQ27控制腳為低電平,PQ27截止,而右側(cè)的mos管導(dǎo)通,所以輸出拉低;
電路原理分析:PQ27控制腳為高電平,PQ27導(dǎo)通,所以其漏極為低電平,右側(cè)的mos管處于截止?fàn)顟B(tài),所以輸出為高電平。
整體看來,兩個管子的搭配作用就是高低電平的切換,這個電路來自于筆記本主板的電路,但是這個電路模塊也更常見于復(fù)雜電路的上電時序控制模塊,GPIO的操作模塊等等應(yīng)用中。
2. MOS管的隔離作用MOS管實現(xiàn)電壓隔離的作用是另外一個非常重要且常見的功能,隔離的重要性在于:擔(dān)心前一極的電流漏到后面的電路中,對電路系統(tǒng)的上電時序,處理器或邏輯器件的工作造成誤判,最終導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。因此,實際的電路系統(tǒng)中,隔離的作用非常重要。
二極管的導(dǎo)電特性
二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中,電流只能從二極管的正極流入,負(fù)極流出。
正向特性
在電子電路中,將二極管的正極接在高電位端,負(fù)極接在低電位端,二極管就會導(dǎo)通,這種連接方式,稱為正向偏置。必須說明,當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時,二極管仍然不能導(dǎo)通,流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓達(dá)到某一數(shù)值(這一數(shù)值稱為“門坎電壓”,又稱“死區(qū)電壓”,鍺管約為0.1V,硅管約為0.5V)以后,二極管才能真正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變(鍺管約為0.3V,硅管約為0.7V),稱為二極管的“正向壓降”。
反向特性
在電子電路中,二極管的正極接在低電位端,負(fù)極接在高電位端,此時二極管中幾乎沒有電流流過,此時二極管處于截止?fàn)顟B(tài),這種連接方式,稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時,仍然會有微弱的反向電流流過二極管,稱為漏電流。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值,反向電流會急劇增大,二極管將失去單方向?qū)щ娞匦裕@種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。
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