场效应管分结型、绝缘栅型两大类。按导电方式来划分,场效应管又可分成耗尽型与增强型。绝缘栅型场效应管(JGFET)因栅极与其它电极完全绝缘而得名。
目前在绝缘栅型场效应管中,应用最为广泛的是MOS场效应管,简称MOS管(场效应管MOSFET);此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管,以及πMOS场效应管、VMOS功率模块等。
绝缘栅型场效应管具有比结型场效应管更高的输入阻抗(可达1012Ω以上),并且制造工艺比较简单,使用灵活方便,非常有利于高度集成化。
绝缘栅型场效应管分为:
N沟道增强型管
删源间需要加一定正向电压才能管子才能开启,有一个开启电压Ugs;电流随栅源间正向电压增大而增大,转移特性曲线在第一象限,和三极管类似。
N沟道耗尽型管
漏源之间存在导电沟道,无需加删压就能导电,开启电压Ugs(off)为负值,电流随正向电压增大而增大,转移特性曲线在一、四象限。
P沟道增强型管
删源间需要加一定反向电压才能管子才能开启,电流随反向电压增大而增大,转移特性曲线与N沟道增强型相反,在第四象限。
P沟道耗尽型管
与N沟道耗尽型类似,漏源之间存在导电沟道,无需加删压就能导电,开启电压Ugs(off)为正值,随反向电压增大而增大。转移特性曲线在二、三象限。
绝缘栅型场效应管结构
图1是N沟道增强型MOS管的结构示意图和符号。它是在一块P型硅衬底上,扩散两个高浓度掺杂的N+区,在两个N+区之间的硅表面上制作一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,然后在SiO2和两个N型区表面上分别引出三个电极,称为源极s、栅极g和漏极d。在其图形符号中,箭头表示漏极电流的实际方向。
绝缘栅型场效应管原理
绝缘栅场效应管的导电机理是,利用UGS 控制"感应电荷"的多少来改变导电沟道的宽窄,从而控制漏极电流ID。若UGS=0时,源、漏之间不存在导电沟道的为增强型MOS管,UGS=0 时,漏、源之间存在导电沟道的为耗尽型MOS管。
图2中衬底为P型半导体,在它的上面是一层SiO2薄膜、在SiO2薄膜上盖一层金属铝,如果在金属铝层和半导体之间加电压UGS,则金属铝与半导体之间产生一个垂直于半导体表面的电场,在这一电场作用下,P型硅表面的多数载流子-空穴受到排斥,使硅片表面产生一层缺乏载流子的薄层。同时在电场作用下,P型半导体中的少数载流子-电子被吸引到半导体的表面,并被空穴所俘获而形成负离子,组成不可移动的空间电荷层(称耗尽层又叫受主离子层)。
UGS愈大,电场排斥硅表面层中的空穴愈多,则耗尽层愈宽,且UGS愈大,电场愈强;当UGS 增大到某一栅源电压值VT(叫临界电压或开启电压)时,则电场在排斥半导体表面层的多数载流子-空穴形成耗尽层之后,就会吸引少数载流子-电子,继而在表面层内形成电子的积累,从而使原来为空穴占多数的P型半导体表面形成了N型薄层。
由于与P型衬底的导电类型相反,故称为反型层。在反型层下才是负离子组成的耗尽层。这一N型电子层,把原来被PN结高阻层隔开的源区和漏区连接起来,形成导电沟道。
用图2所示电路来分析栅源电压UGS控制导电沟道宽窄,改变漏极电流ID 的关系:当UGS=0时,因没有电场作用,不能形成导电沟道,这时虽然漏源间外接有ED电源,但由于漏源间被P型衬底所隔开,漏源之间存在两个PN结,因此只能流过很小的反向电流,ID ≈0;当UGS>0并逐渐增加到VT 时,反型层开始形成,漏源之间被N沟道连成一体。
这时在正的漏源电压UDS作用下;N沟道内的多子(电子)产生漂移运动,从源极流向漏极,形成漏极电流ID。显然,UGS愈高,电场愈强,表面感应出的电子愈多,N型沟道愈宽沟道电阻愈小,ID愈大。
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