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mos管直流特性与导通特性-JFET与MOS管直流特性分析比较-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-06-12 

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mos管直流特性

MOS管种类与结构

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS 管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。


mos管直流特性


对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。


在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的 MOS 管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。


MOS管导通特性


mos管直流特性


导通的意思是作为开关,相当于开关闭合。NMOS 的特性,Vgs 大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到 4V 或 10V 就可以了。PMOS的特性,Vgs 小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,虽然PMOS 可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS。


JFET与MOSFET直流特性分析和比较

场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件,根据结构的不同,场效应管可分为两大类:结型场效应管(JEFT)和绝缘栅场效应管(MOSFET),在分析比较它们的直流特性之前,首先对它们的结构和原理作简单的比较。JFET按导电沟道可分为N沟道和P沟型,按零栅压(U GS =0)时器件的工作状态,又可分为增强型(常关型)和耗尽型(常开型)两种,因此 JFET 可以分为四种类型。


同样的,对于MOSFET也是如此,也分为四种类型即:N沟耗尽型、N沟增强型、P沟耗尽型、P沟增强型。在下面对JFET和MOSFET的分析对比中,都以 N 沟类型的场效应管为例,进行说明其他种类的场效应管的原理与分析方法类似。


mos管直流特性


JFET的工作原理及输出、转移特性

N 沟道JFET工作时 ,在栅极和源极之间需要加一负电压(VGS<0),使得栅极、沟道间的PN结反偏,栅极电流iG≈0。在漏极与源极间加一正电压(VDS >0),使N沟道中的多数载流子(电子)在电场作用下由源极向漏极运动,形成电流iD。其大小受VGS控制,VGS在JFET结构中主要通过控制沟道电阻,来控制ID的大小。通过设置不同的VGS和VDS便可以使得JFET工作在不同的状态下。


当 U DS 为一定值时,漏源电流IDS的大小随栅源电压UGS的改变而变化,这是因为栅结耗尽层厚度是随栅源电压变化而变化的,因此也使得导电沟道电阻发生变化,致使ID也相应变化。如图 1-1(a)所示的 PN 结,栅耗尽区的大部分扩展在PN结的N区一侧,栅PN结上的反偏电压越大,耗尽区就会越宽,因而使夹在上下两耗尽区之间的导电沟道截面积减小,导电沟道电阻增加,致使通过它的电流减小。反之,会使得漏极电流变大。


当负栅压很高时,整个沟道从源到漏被空间电荷区所占满,此时即使在漏源之间加上偏压,沟道中叶不会有电流通过,此时JFET处于截止状态。


当UGS一定时,在图1-1(a)所示的N沟JFET两端之间加上一正电压UDS ,由于沟道相当于一个电阻,因此此时将有电流经过沟道从漏极流向源极。当UDS增加时漏源电流也随之增加,同时漏源电流在沟道电阻上产生的压降也随之增加,靠近漏极端高,源极端低。漏极端正向压降使栅极PN结反偏,栅漏结的空间电荷区从沟道的两边向沟道的中心展宽,最终使漏极端沟道被夹断。夹断后如果漏极电压进一步增加,U DS主要落在空间电荷层上,对沟道载流子的作用减弱,所以即使UDS 继续增加,漏源电流也基本不变,此时处于饱和状态。此后,若UDS 仍继续增加至PN结反向击穿电压时,JFET 就会发生击穿。


通过以上分析,可以得到JFET共源极输出特性曲线和相应的转移特性曲线如图 2-1所示。


mos管直流特性


MOS管的转移性特性

MOS 场效应管的栅极和半导体之间被氧化硅层阻隔,器件导通时只有从漏极经过沟道到源极这一条电流通路。


通过以上分析,同样根据式(1-1)和(1-2)对输出特性和转移特性的定义,可以得到NMOS的输出和转移特性曲线如图2-2所示:


mos管直流特性


mos管直流特性-电压特性


mos管直流特性


mos管直流特性


mos管直流特性之直流参数

1、 饱和漏极电流IDSS

当栅源电压UGS=0时,漏源电压UGS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。对于JFET,就是UGS=0时出现预夹断时所对应的漏极电流。


2、 夹断电压UP

当漏源电压一定时,使漏极电流iD减小到某一微小电流时所需的栅源电压UGS的值。对于JFET和耗尽型MOSFET,夹断电压UP大致就是转移特性曲线与横轴焦点对应的UGS。


3、 开启电压UT

当UDS一定时,漏极电流iD达到某一数值时所需加的UGS的值。对于增强型场效应管,开启电压UT大致就是转移特性曲线与横轴焦点对应的 UGS 。开启电压与夹断电压的区别在于其针对的对象不同,开启电压是针对增强的MOS管而言的,而夹断电压时针对JFET或耗尽型MOS管而言的。


4、 直流输入电阻RGS

R GS 是栅源电压UGS与产生的栅极电流之比,由于场效应管的栅极几乎没有电流,因此输入电阻很高。



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