图表8 P沟道增强型MOS管预夹断及夹断区形成示意图
3、N沟道耗尽型场效应管原理
N沟道耗尽型MOS管的结构与增强型MOS管结构类似,只有一点不同,就是N沟道耗尽型MOS管在栅极电压VGS=0时,沟道已经存在。这是因为N沟道是在制造过程中采用离子注入法预先在D、S之间衬底的表面、栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子,该沟道亦称为初始沟道。
当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道,所以只要有漏源电压,就有漏极电流存在;当VGS>0时,将使ID进一步增加;VGS<0时,随着VGS的减小,漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压或阈值电压,用符号VGS(off)或Up表示。
由于耗尽型MOSFET在VGS=0时,漏源之间的沟道已经存在,所以只要加上VDS,就有ID流通。如果增加正向栅压VGS,栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子,沟道变厚,沟道的电导增大。
如果在栅极加负电压(即VGS<0),就会在相对应的衬底表面感应出正电荷,这些正电荷抵消N沟道中的电子,从而在衬底表面产生一个耗尽层,使沟道变窄,沟道电导减小。当负栅压增大到某一电压VGS(off)时,耗尽区扩展到整个沟道,沟道完全被夹断(耗尽),这时即使VDS仍存在,也不会产生漏极电流,即ID=0。
图表9 N沟道耗尽型MOS管结构(左)及转移特性(右)示意图
4、P沟道耗尽型场效应管原理
P沟道耗尽型MOS管的工作原理与N沟道耗尽型MOS管完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性也不同。
5、耗尽型与增强型MOS管的区别
耗尽型与增强型的主要区别在于耗尽型MOS管在G端(Gate)不加电压时有导电沟道存在,而增强型MOS管只有在开启后,才会出现导电沟道;两者的控制方式也不一样,耗尽型MOS管的VGS(栅极电压)可以用正、零、负电压控制导通,而增强型MOS管必须使得VGS>VGS(th)(栅极阈值电压)才行。
由于耗尽型N沟道MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的Na 或K 正离子(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子),当VGS=0时,这些正离子产生的电场能在P型衬底中感应出足够的电子,形成N型导电沟道;当VGS>0时,将产生较大的ID(漏极电流);如果使VGS<0,则它将削弱正离子所形成的电场,使N沟道变窄,从而使ID减小。
这些特性使得耗尽型MOS管在实际应用中,当设备开机时可能会误触发MOS管,导致整机失效;不易被控制,使得其应用极少。
因此,日常我们看到的NMOS、PMOS多为增强型MOS管;其中,PMOS可以很方便地用作高端驱动。不过PMOS由于存在导通电阻大、价格贵、替换种类少等问题,在高端驱动中,通常还是使用NMOS替代,这也是市面上无论是应用还是产品种类,增强型NMOS管最为常见的重要原因,尤其在开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS管。
MOS管重要特性1、导通特性
导通的意义是作为开关,相当于开关闭合。NMOS的特性,VGS大于一定的值就会导通,适用于源极接地时的情况(低端驱动),只需栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性是,VGS小于一定的值就会导通,适用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。
2、损失特性
不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,电流就会被电阻消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗。小功率MOS管导通电阻一般在几毫欧至几十毫欧左右,选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。
MOS管在进行导通和截止时,两端的电压有一个降落过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,这称之为开关损失。通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积越大,构成的损失也就越大。缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。
3、寄生电容驱动特性
跟双极性晶体管相比,MOS管需要GS电压高于一定的值才能导通,而且还要求较快的导通速度。在MOS管的结构中可以看到,在GS、GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,理论上就是对电容的充放电。
对电容的充电需要一个电流,由于对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一个要留意的是可提供瞬间短路电流的大小;第二个要留意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要栅极电压大于源极电压。
而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极导通电压要比VCC高4V或10V,而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小。
图表10 4种MOS管特性比较示意图
4、寄生二极管
漏极和源极之间有一个寄生二极管,即“体二极管”,在驱动感性负载(如马达、继电器)应用中,主要用于保护回路。不过体二极管只在单个MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。
图表11 寄生二极管位置示意图
5、不同耐压MOS管特点
不同耐压的MOS管,其导通电阻中各部分电阻比例分布不同。如耐压30V的MOS管,其外延层电阻仅为总导通电阻的29%,耐压600V的MOS管的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。
不同耐压MOS管的区别主要在于,耐高压的MOS管其反应速度比耐低压的MOS管要慢,因此,它们的特性在实际应用中也表现出了不一样之处,如耐中低压MOS管只需要极低的栅极电荷就可以满足强大电流和大功率处理能力,除开关速度快之外,还具有开关损耗低的特点,特别适应PWM输出模式应用;而耐高压MOS管具有输入阻抗高的特性,在电子镇流器、电子变压器、开关电源方面应用较多。