Структура MOSFET, символы, принцип работы
2024-11-12
1.Определение и классификация
Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET), также известный как полевой транзистор с изолированным затвором (GFET)
В зависимости от типов носителей, участвующих в проводимости, их можно разделить на N-канальные полевые транзисторы и P-канальные полевые транзисторы.
N-канальные полевые транзисторы используют электроны в качестве проводящих носителей
Р-канальные полевые транзисторы используют дырки в качестве проводящих носителей.
В соответствии с различными методами проводимости его можно разделить на тип истощения и тип улучшения.
Тип истощения означает, что изначально существует проводящий канал, который при работе после подачи напряжения исчезает изначально существующий канал;
Усовершенствованный тип означает, что изначально нет проводящего канала. Во время работы проводящий канал генерируется после подачи напряжения.
Следовательно, парные комбинации можно разделить на четыре типа: MOSFET с улучшением N-канала, MOSFET с истощением N-канала, MOSFET с улучшением P-канала и MOSFET с истощением P-канала.
2.Структура и символы
Для начинающих часто трудно различить различные типы MOSFET и соответствующие символы. На самом деле, если мы понимаем структуру MOSFET и процесс символизации, мы можем легко различить тип MOSFET. Этот процесс иллюстрируется на примере N-канального MOSFET с истощением.
2.1 Структура N-канального MOSFET с истощением
Структура N-канального MOSFET с истощением показана на рисунке 1, она состоит из
(1) Кремниевая пластина P-типа с низким легированием в качестве подложки
(2) Две высоколегированные области N+, изготовленные диффузионным процессом, при этом на стыке подложки P-типа и легированной области N-типа образуется PN-переход, также известный как истощенный слой. Два электрода непосредственно извлекаются из области N +, а именно источник (S) и дренаж (Drain, D).
(3) Изготовить изоляционный слой $i02 на полупроводнике, затем изготовить слой металлического алюминия на изоляционном слое Si02 и вывести электрод в качестве затвора G (Gate, G).
(4) В изоляционный слой Si02 под решеткой добавляется соответствующее количество положительных ионов металла, под действием этих положительных ионов под изоляционным слоем Si02 накапливаются отрицательные ионы, чтобы образовать обратный слой (обратите внимание на разницу с истощенным слоем), образуя проводящий канал между утечкой и источником.
Обычно полюсы B и S используются соединенными вместе, как показано на рисунке 2
Согласно концепции, представленной в разделе «1 Определение и классификация», эта структура без подачи какого-либо напряжения уже имеет проводящий канал, поэтому он относится к режиму истощения, а этот проводящий канал является N-каналом, поэтому является N-канальным MOSFET режима истощения.
2.2 Символ N-канального MOSFET с истощением
Основываясь на структуре рисунка 1, рисуем символ MOSFET следующим образом
(1) Нарисовать сплошную вертикальную линию для обозначения уже существующего N-канала (светло-желтая сплошная вертикальная линия на рис. 3, обратите внимание, что существующий канал обозначен сплошной линией, а затем обозначить несуществующий канал пунктирной линией);
(2) Нарисовать немного короткую вертикальную сплошную линию, обозначающую металлический алюминий (серая сплошная вертикальная линия слева на рис. 3), можно понимать пустую область между серой сплошной вертикальной линией и светло-желтой сплошной вертикальной линией как изоляционный слой Si02, и вывести полюс G из металлического алюминия;
(3) непосредственно выводить D и S полюсы с обоих концев N-канала;
(4) Поскольку правая сторона N-канала (светло-желтая вертикальная сплошная линия) понимается как подложка P-типа, нарисуйте стрелку из подложки P-типа, указывающую на N-канал, для указания направления PN-перехода. Поскольку полюсы B и S соединены вместе, немного оптимизируйте, получите символ, показанный на рисунке 3, который является символом окончательного MOSFET с истощением N-канала.
Точно так же, если мы получим этот символ, мы можем с первого взгляда увидеть следующее:
(1) Правая вертикальная линия является сплошной линией-> истощенный тип;
(2) Стрелка указывает на вертикальную линию справа-> это N-канал;
Мы сразу видим, что это N-канальный истощительный MOSFET.
3. Принцип работы
Мы обсуждаем принцип работы N-канального истощения MOSFET в двух аспектах
1.напряжение стока-источника uДсПара тока стока iДУправляющая роль, то есть выходные характеристики.
2.напряжение затвор-источник uГсПара тока стока iпконтролирующий эффект, то есть свойства передачи.
3.1 Напряжение стока-источника uДСПара тока стока iДконтролирующая роль
Коротко соединить полюсы G и S, между полюсами D и S приложить напряжение uДс> 0, схема соединения показана на рис.
Напряжение в основном равномерно уменьшается, то есть перепад давления между стороной N-канала вблизи полюса D и подложкой P-типа велик, поэтому истощенный слой (то есть PN-переход) в этом случае будет толще в N-канале от полюса D до полюса S, перепад давления между стороной ближе к полюсу S и подложкой P-типа невелик, истощенный слой будет тоньше, поэтому образуется ситуация, показанная на рис 5.
При этом канал имеет резистивные характеристики, iДс uДсУвеличение и приблизительно линейное увеличение. Мы можем нарисовать случай, когда iДс uДссоотношение кривой, как показано на рисунке 6.
продолжать увеличивать uДС, перепад давления между стороной N-канала, близкой к электроду D, и подложкой P-типа продолжает увеличиваться, поэтому истощенный слой станет толще до тех пор, пока на стороне электрода D не появится точка зажима, которая называется предварительным зажимом, как показано на рисунке 7.
В это время, iДс uДсувеличивается медленно и стабилизируется, как показано на рисунке 8.
продолжать увеличивать uДс, область зажима постоянно увеличивается, как показано на рисунке 9.
В это время uДСПовышенная часть практически полностью используется для преодоления сопротивления зоны зажима току дренажа, iДВ принципе не следует уДСизменяется с увеличением, как показано на рисунке 10
продолжать увеличивать uДС, когда уДСКогда он увеличится до определенной степени, трубка будет пробита, и ток внезапно увеличится, как показано на рисунке 11. При использовании следует избегать попадания MOSFET в эту область.
3.2 Напряжение затвор-источник uГСПара тока стока iДконтролирующая роль
короткое замкивание полюсов D, S, приложение напряжения u к полюсам G, SГс< 0, как показано на рисунке 12.
В это время, поскольку электрод G подключен к отрицательному электроду источника питания, металлический алюминий имеет большое количество электронов, которые будут отталкивать электроны в N-канале, тем самым сужая ширину слоя инверсии и образуя слой истощения. В это время ток утечки между электродами D и S будет уменьшен.
Если следовать процессу 3.1 и приложить напряжение к полюсам D и S, то при том же uДСниже, поскольку отношение канала uГс= 0 узкий, поэтому iДчем uГсмало при = 0, и uГсчем меньше, тем узче канал, иДчем меньше; когда uГсПри падении значения до определенного напряжения канал полностью закрывается, iД= 0, это напряжение называется зажимным напряжением и используется uGs(снижение)Указывается. Точно так же, когда уГс > 0 при, iДчем уГсбольшой при = 0, и uГсчем больше, иДЧем больше. Таким образом, можно нарисовать uГс < 0, уГс Кривая при > 0 показана на рисунке 13 (схематическая, неточная).
4. Характеристическая кривая
4.1 Кривая выходной характеристики
Кривая выходной характеристики МОСФЭТ относится к тому, когда uГс> уGs (снижение)При определенном значении ток стока iДс напряжением дрена-источника uДСотношения между, для каждого uГсЗначение, которое соответствует кривой, поэтому выходная характеристическая кривая представляет собой кластер кривых, как показано на рисунке 14 (схематическая диаграмма, неточная).
Согласно анализу в разделе «3 принципа работа», мы можем разделить рабочую область MOSFET на следующие четыре области:
(1) Область переменного сопротивления: пунктирная линия на рисунке представляет собой траекторию предварительного зажима, которая образуется соединением точек предварительного зажима каждой кривой, область слева от траектории предварительного зажима, iДс uДСУвеличение увеличивается приблизительно линейно, демонстрируя характеристики сопротивления. А для разных уГс, иДскорости подъема отличаются, поэтому можно изменить uГсРазмер для изменения значения сопротивления эквивалентного сопротивления источника стока, поэтому его называют областью переменного сопротивления;
(2) Область постоянного тока: область справа от траектории предварительного зажима называется областью постоянного тока, кривые приблизительно параллельны горизонтальной оси, iДВ принципе не следует уГсизменяется с увеличением. Таким образом, можно поставить iДприближается к uГсуправляемый источник тока, поэтому эта область называется областью постоянного тока.
(3) Зона отсечения: когда uГс< uГс(отключение) при отсутствии проводящих каналов, iД≈ 0, эта область является отсечной зоной
(4) зона пробоя: когда uДСКогда он увеличится до определенной степени, трубка будет пробита, и ток внезапно увеличится, что соответствует перевернутой части правой стороны кривой, которая называется зоной пробоя.
4.2 Кривая характеристики передачи
Передачная характеристика МОСФЭТ относится к uДСпри определенном значении напряжение стока-источника uГсПара тока стока iДконтролирующих характеристик. Исходя из этого определения, мы можем сделать прямую перпендикулярную горизонтальной оси непосредственно на выходной характеристике (uДСимеет определенное значение), пересекается с выходной характеристикой в точках a, b, c, d, как показано на рисунке 15. Из каждой точки можно получить набор iДс uГскоординат, установить uГс-иДСистема координат и в соответствии с полученными координатами соединяются в линию для получения характеристической кривой передачи, как показано на рисунке 16 (схематическая диаграмма, неточная).
