n溝道場效應管工作原理、特性及結構詳解-N溝道場效應管型號-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-09-30
絕緣柵型場效應管的構造表示圖如圖2-34所示。
1)n溝道增強型MOSFET的導電溝道的構成
n溝道加強型MOSFET的溝道構成及符號如圖2-35所示，其中圖2-35 (a)所示是在一塊雜質濃度較低的P型半導體襯底上制造兩個高濃度的N型區(qū)，并分別將它們作為源極s和漏極D，然后在襯底的外表制造一層Si02絕緣層，并在上面引出一個電極作為柵極G。圖2-35(b)所示是其在電路中的符號。
式中，UT為開啟電壓（或閾值電壓）；μn為溝道電子運動的遷移率；Cox為巾位面積柵極電容；W為溝道寬度；疋為溝道長度；W/L為MOSFET的寬長比。在MOSFET集成電路設計中，寬長比是一個極為重要的參數。
n溝道MOS管的輸出特性曲線如圖2-37所示。與結型場效應管的輸出特性相似，它也分為恒流區(qū)、叮變電阻區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)。其特性如下所示。
①截止區(qū)：UGS≤UT，導電溝道未構成，iD=0。
②恒流區(qū)：
1、曲線距離平均，UGS對iP的控制才能強；
2、UDS對iD的控制才能弱，曲線平整；
3、進入恒流區(qū)的條件，即預災斷條件為UDS≥UCS-UT。
③可變電阻區(qū)：
可變電阻區(qū)的電流方程為：
因而，可變電阻區(qū)的輸出電阻rDS為
1．vGS對iD及溝道的控制作用
MOS管的源極和襯底通常是接在一起的（大多數管子在出廠前已連接好）。從上圖（a）可以看出，增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結。當柵-源電壓vGS=0時，即使加上漏-源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個PN結處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。
若在柵-源極間加上正向電壓，即vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場，這個電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子（負離子），形成耗盡層，同時P襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。當vGS數值較小，吸引電子的能力不強時，漏-源極之間仍無導電溝道出現(xiàn)，如上圖（b）所示。
vGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當vGS達到某一數值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如上圖（c）所示。vGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。
由上述分析可知，N溝道增強型MOS管在vGS＜VT時，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態(tài)。只有當vGS≥VT時，才有溝道形成，此時在漏-源極間加上正向電壓vDS，才有漏極電流產生。而且vGS增大時，溝道變厚，溝道電阻減小，iD增大。這種必須在vGS≥VT時才能形成導電溝道的MOS管稱為增強型MOS管。
2．vDS對iD的影響
如上圖（a）所示，當vGS》VT且為一確定值時，漏-源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場效應管相似。漏極電流iD沿溝道產生的電壓降使溝道內各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為vGD=vGS - vDS，因而這里溝道最薄。但當vDS較小（vDS《vGS–VT）時，它對溝道的影響不大，這時只要vGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨vDS近似呈線性變化。
隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT（或vDS=vGS-VT）時，溝道在漏極一端出現(xiàn)預夾斷，如上圖（b）所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點將向源極方向移動，如上圖（c）所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。
MOSFET一直是大多數N溝道場效應管開關電路電源（SMPS）選擇的晶體管技術。MOSFET用作主開關晶體管，并用作門控整流器來提高效率。本設計實例對P溝道和N溝道增強型MOSFET做了比較，以便選擇最適合電源應用的開關。MOSFET一直是大多數開關電源（SMPS）首選的晶體管技術。當用作門控整流器時，MOSFET是主開關晶體管且兼具提高效率的作用。為選擇最適合電源應用的開關，本設計實例對P溝道和N溝道增強型MOSFET進行了比較。
對市場營銷人員，MOSFET可能代表能源傳遞最佳方案（Most Optimal Solution for Energy Transfer）的縮寫。對工程師來說，它代表金屬氧化物半導體場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。
由于具有較低的導通電阻（RDS(on)）和較小尺寸，N溝道MOSFET在產品選擇上超過了P溝道。在降壓穩(wěn)壓器應用中，基于柵控電壓極性、器件尺寸和串聯(lián)電阻等多種因素，使用P溝道MOSFET或N溝道MOSFET作為主N溝道場效應管開關電路。同步整流器應用幾乎總是使用N溝道技術，這主要是因為N溝道的RDS(on)小于P溝道的，并且通過在柵極上施加正電壓導通。
MOSFET多數是載流子器件， N溝道MOSFET在導電過程中有電子流動。 P溝道在導電期間使用被稱為空穴的正電荷。電子的流動性是空穴的三倍。盡管沒有直接的相關性，就RDS(on)而言，為得到相等的值，P溝道的管芯尺寸大約是N溝道的三倍。因此N溝道的管芯尺寸更小。
N溝道場效應管開關電路N溝道MOSFET在柵-源極端子上施加適當閾值的正電壓時導通；P溝道MOSFET通過施加給定的負的柵-源極電壓導通。
MOSFET的柵控決定了它們在SMPS轉換器中的應用。例如，N溝道MOSFET更適用于以地為參考的低側開關，特別是用于升壓、SEPIC、正向和隔離反激式轉換器。在同步整流器應用以及以太網供電（PoE）輸入整流器中，低側開關也被用來代替二極管作為整流器。P溝道MOSFET最常用作輸入電壓低于15VDC的降壓穩(wěn)壓器中的高側開關。根據應用的不同，N溝道場效應管開關電路N溝道MOSFET也可用作降壓穩(wěn)壓器高側開關。這些應用需要自舉電路或其它形式的高側驅動器。
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