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【48812】科普:MOSFET结构及其作业原理
2022-04-30 17:32:43       来源:乐鱼官网

  由MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体)+FET(Field Effect Transistor场效应晶体管)这个两个缩写组成。即通过给金属层(M-金属铝)的栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2)的源极施加电压,发生电场的效应来操控半导体(S)导电沟道开关的场效应晶体管。因为栅极与源极、栅极与漏极之间均选用SiO2绝缘层阻隔,

  市面上我们所说的功率场效应晶体管通常指绝缘栅MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET),简称功率MOSFET(Power MOSFET)。实际上场效应管分为结型和绝缘栅两种不同的结构。场效应管是运用输入回路的电场效应来操控输出回路电流的一种半导体器材。它仅靠半导体中的大都载流子导电,又称为单极型晶体管。

  结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor-SIT)。其特点是用栅极电压来操控漏极电流,驱动电路简略,需求的驱动功率小,开关速度快,作业频率高,耐热性优于GTR,但其电流容量小,耐压低,一般只适用于功率不超越10kW的电力电子设备。

  MOSFET功率场效应晶体管,大大都用作开关和驱动器,作业于开关状况,耐压从几十伏到上千伏,作业电流可达几安培到几十安。功率MOSFET大大都都是增强型MOSFET,它具有优秀的开关特性。

  MOSFET的品种:按导电沟道类型可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为:耗尽型-当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道;增强型-关于N(P)沟道器材,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道,功率MOSFET主要是N沟道增强型。

  N沟道增强型MOS管结构如图5所示。它以一块低掺杂的P型硅片为衬底,运用扩散工艺制造两个高掺杂的N+区,并引进两个电极分别为源极S(Source)和漏极D(Drain),半导体上制造一层SiO2绝缘层,再在SiO2上面制造一层金属铝Al,引出电极,作为栅极G(Gate)。通常将衬底与源极接在一同运用。这样,栅极和衬底各相当于一个极板,中心是绝缘层,构成电容。当栅-源电压变化时,将改动衬底接近绝缘层处感应电荷的多少,然后操控漏极电流的巨细。

  ● 当栅-源之间不加电压时即VGS=0时,源漏之间是两只背向的PN结。不论VDS极性怎么,其间总有一个PN结反偏,所以不存在导电沟道。

  ● 当UDS=0且UGS0时,因为SiO2的存在,栅极电流为零。可是栅极金属层将集合正电荷.它们排挤P型衬底接近 SiO2一侧的空穴,使之剩余不能移动的负离子区,构成耗尽层,如图6所示。

  ● 当UGS增大时,一方面耗尽层增宽,另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,构成一个N型薄层,称为反型层,如图7所示。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚构成的栅-源电压叫做敞开电压UGS(th)/VT。UGS电压越大,构成的反层型越厚,导电沟道电阻越小。

  ● 当VGSVT且VDS较小时,根本MOS结构的示意图如图8-1所示。图中反型沟道层的厚度定性地表明晰相对电荷密度,这时的相对电荷密度在沟道长度方向上为一常数。相应的ID-VDS特性曲线所示。

  ● 当VGSVT且VDS增大时,因为漏电压增大,漏端邻近的氧化层压降减小,这在某种程度上预示着漏端邻近的反型层电荷密度也将减小。漏端的沟道电导减小,然后ID-VDS特性曲线所示。

  ● 当VGSVT且VDS增大到漏端的氧化层压降等于VT时,漏极处的反型层电荷密度为零,此刻漏极处的电导为零,这在某种程度上预示着ID-VDS的特性曲线的斜率为零,称为预夹断,如图8-3所示。

  ● 当VGSVT且VDSVDS(sat)时,沟道中反型电荷为零的点移向源端。假如UDS持续增大,夹断区随之延伸,如图所示,并且UDS的增大部分简直悉数用于战胜夹断区对漏极电流的阻力,漏电流ID为一常数,这种景象在ID-VDS对应于饱满区(恒流区),如图8-4所示。

  漏极电流ID和栅源间电压UGS的联系称为MOSFET的搬运特性。ID较大时,ID与UGS的联系近似线性,曲线的斜率界说为跨导Gfs。图中跟着VGS增大,ID的斜率增大。原因是因为VGS增大,构成的反层型越厚,导通沟道电阻越小,ID的上涨的速度越快。

  MOSFET有三个作业区域:截止区、饱满区和非饱满区,对应的输出特性曲线所示。若电力 MOSFET作业在开关状况,即在截止区和非饱满区之间来回转化。

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