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硬件开发者之路之——半导体元器件之FET场效应管

上一篇 / 下一篇  2017-08-10 17:17:39 / 个人分类:技术生涯

作为和双极型晶体管三极管对应的一种单极型晶体管就是FET场效应管,所谓的场效应就是利用电场的效应来控制器件导通。这里场效应管也有几种分类:  


一、结型场效应管

结型场效应管JFET相对于MOSFET管而言的主要特征是导电沟道在半导体内部,称为体内场效应管,这样最大的好处是噪声更低,常用于低噪声的前端信号处理

N沟道的JFET为例,在N型半导体的两侧制造两个高浓度掺杂的P型区,形成PN结。可以看出工作时GS必须是反偏电压,以保证输入端G极为高阻抗。这时候在DS之间加电压值就会让电子通过N沟道形成电流。这样VGSVDS对电流都有控制作用。

JFET伏安特性曲线

过程分析:

1、  VDS不变,随着GS电压反向增大时,PN之间的耗尽层增大,意思是由于电场作用导致P区边缘聚集更多空穴,这样中间的沟道越来越小,最后沟道被夹断。这个过程中DS之间的电阻越来越大,实际上是一个受控于VGS的可变电阻。

 

2、  VGS不变,随着VDS电压增大,电流通过沟道,这样也导致沿着沟道有电位梯度差,就是每个点的VGS不一样了。这样形成的沟道宽度每个点都不一样。因此,VDS增大同时又会导致沟道变窄,阻碍电流,但是一定范围内,VDS还是以增大电流为主。

VDS继续增大,当沟道开始夹断时,夹断区域随着VDS增大沿着沟道不断扩大,这个时候,VDS对电流的推动作用和随之变大的DS之间电阻对电流的阻碍作用基本抵消,漏电流处于饱和状态,直到沟道完全夹断。沟道完全夹断后,电压继续增大,漏电流也会增大,最终击穿损坏。如上面图中的特性曲线所示 

3、  如上分析:在夹断之前为可变电阻区(放大区),夹断中为恒流区(饱和区),VGS小于开启电压时关断(截止区)。

可以知道VGS越大,VDS的开始夹断电压就越小,因为反向的VGS本来就是形成耗尽层的电压动力。和不断增大的VDS同向。

JFET的特性:

1、  沟道在半导体内部,噪声极小。知道这一点就够了,看一些精密运放设计就明白了所谓的前级输入为JFET的优势。

二、金属氧化物场效应管MOSFET

为了进一步提高输入阻抗,输入级栅极采用了Sio2和铝。这样完全绝缘可以使得输入阻抗高达1015次方欧姆,这样功耗也会更低。

NMOS的结构就是在P型衬底上扩散形成两个N型区,这样在表面形成导电沟道。MOS管里所有的PN结必须 保证反偏,因此,在以P型为衬底的NMOS管结构中,衬底接地GND,而PMOS的衬底必须接电源VCC

过程分析:

1、类似于上面的JFETVGS正向增大时,VGS>VTH, Sio2表面开始聚集电子,逐渐形成N型的沟道。这时MOS管类似一个受控于VGS的可变电阻.VDS=0时形成的是电位均匀的导电沟道。

 

2、  VGS>VTH,且VDS<VGS-VTH时。这时沟道因为电位差是不均匀的。VGS-VTH为沟道夹断点电压,此时处在线性区

   

3、  VGS>VTH,且VDS>VGS-VTH,这时由于VDS过大,造成靠近D端的沟道开始被夹断了,因为VGSVDS在沟道上的电场作用是相反的。夹断点慢慢右移,参考JFET沟道,此时电流基本恒定,处于饱和区。

 



    

4、  VDS继续增大的话就会造成MOS管击穿,MOS的击穿有几种可能:

4.1VDS足够大,漏极D和衬底之间的反偏二极管雪崩击穿。

4.2DS之间击穿,穿通击穿。

4.3、最容易击穿的是栅极,很薄的Sio2层,因此必须加以保护,不使用时接电位处理。

耗尽型MOS

耗尽型MOS的特点就是VGS为负压时导通,实际应用中太少,就不说了。

MOS管放大电路:

   MOS管的放大电路参考与三极管,同样也分为共源极、共栅极、共漏极放大器。然后提供偏压让MOS管工作在线性区。

 

 

 


三、功率MOSFET

   这里介绍一下用作大功率器件的MOS管,因为目前在功率应用领域相关器件种类很多。

作为功率和非功率型MOSFET在结构上是有很大区别的:

  

功率MOS的基本结构DMOS:双扩散型MOS

DS极面对面,耐压值高。

MOS管特性参数:


NMOSIRF530N为例

  


 

在不同应用条件下我们关注的参数还是差别蛮大的。

1、  IDS:工作电流,大功率应用时要保证余量。

2、  PD:功率。

3、  VGS:栅极电压,不能过大击穿。

4、  VTH:栅极开启电压,一般在几V

5、  RDS(on):导通电阻,决定了DS之间的压降,越小越好,一般在几十毫欧。

6、  IGSS:栅极漏电流。

7、  IDSS:源漏之间漏电流,在一些小电流应用中要特别注意漏电流参数的影响。

8、  Cgs:栅极电容,决定了开启速度。

9、  Gm:低频跨导,反应VGS对电流的控制能力,在放大应用中注意。

小结

和三极管类似,FET场效应管尤其是MOSFET在电路设计中应用广泛,半导体工艺中三极管和MOS管兼容的工艺被称为CMOS工艺,这样可以分别发挥各自的优势。我们在实际应用中要根据自己的需求来选型和设计。



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