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二、P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管原理

P溝道增強(qiáng)型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過(guò)光刻、擴(kuò)散的方法或其他手段，在N型襯底（基片）上制作出兩個(gè)摻雜的P區(qū)，分別引出電極（源極S和漏極D），同時(shí)在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬柵極G。其結(jié)構(gòu)和工作原理與N溝道MOS管類似；只是使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反。

在正常工作時(shí)，P溝道增強(qiáng)型MOS管的襯底必須與源極相連，而漏極對(duì)源極的電壓VDS應(yīng)為負(fù)值，以保證兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏，同時(shí)為了在襯底頂表面附近形成導(dǎo)電溝道，柵極對(duì)源極的電壓也應(yīng)為負(fù)。

圖表6  P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)VDS=0時(shí)。在柵源之間加負(fù)電壓比，由于絕緣層的存在，故沒有電流，但是金屬柵極被補(bǔ)充電而聚集負(fù)電荷，N型半導(dǎo)體中的多子電子被負(fù)電荷排斥向體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，表面留下帶正電的離子，形成耗盡層。

隨著G、S間負(fù)電壓的增加，耗盡層加寬，當(dāng)VDS增大到一定值時(shí)，襯底中的空穴（少子）被柵極中的負(fù)電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個(gè)P型薄層，稱反型層，如圖表6（2）所示。

這個(gè)反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道，這時(shí)的VGS稱為開啟電壓VGS（th），達(dá)到VGS（th）后再增加，襯底表面感應(yīng)的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用VGS的大小控制導(dǎo)電溝道的寬度。

圖表7  P溝道增強(qiáng)型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖

當(dāng)VDS≠0時(shí)。導(dǎo)電溝道形成以后，D、S間加負(fù)向電壓時(shí)，那么在源極與漏極之間將有漏極電流ID流通，而且ID隨VDS而增，ID沿溝道產(chǎn)生的壓降使溝道上各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中負(fù)電荷電場(chǎng)的作用，使溝道從漏極到源極逐漸變窄，如圖表7（1）所示。

當(dāng)VDS增大到使VGD=VGS（即VDS=VGS-VGS（TH）），溝道在漏極附近出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖表7（2）所示。再繼續(xù)增大VDS，夾斷區(qū)只是稍有加長(zhǎng)，而溝道電流基本上保持預(yù)夾斷時(shí)的數(shù)值，其原因是當(dāng)出現(xiàn)預(yù)夾斷時(shí)再繼續(xù)增大VDS，VDS的多余部分就全部加在漏極附近的夾斷區(qū)上，故形成的漏極電流ID近似與VDS無(wú)關(guān)。

圖表8  P溝道增強(qiáng)型MOS管預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

三、N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管原理

N溝道耗盡型MOS管的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)類似，只有一點(diǎn)不同，就是N溝道耗盡型MOS管在柵極電壓VGS=0時(shí)，溝道已經(jīng)存在。這是因?yàn)镹溝道是在制造過(guò)程中采用離子注入法預(yù)先在D、S之間襯底的表面、柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，該溝道亦稱為初始溝道。

當(dāng)VGS＝0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)出反型層，形成了溝道，所以只要有漏源電壓，就有漏極電流存在；當(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加；VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小，漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對(duì)應(yīng)ID＝0的VGS稱為夾斷電壓或閾值電壓，用符號(hào)VGS（off）或Up表示。

由于耗盡型MOSFET在VGS=0時(shí)，漏源之間的溝道已經(jīng)存在，所以只要加上VDS，就有ID流通。如果增加正向柵壓VGS，柵極與襯底之間的電場(chǎng)將使溝道中感應(yīng)更多的電子，溝道變厚，溝道的電導(dǎo)增大。

如果在柵極加負(fù)電壓（即VGS＜0），就會(huì)在相對(duì)應(yīng)的襯底表面感應(yīng)出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產(chǎn)生一個(gè)耗盡層，使溝道變窄，溝道電導(dǎo)減小。當(dāng)負(fù)柵壓增大到某一電壓VGS（off）時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)即使VDS仍存在，也不會(huì)產(chǎn)生漏極電流，即ID=0。

圖表9  N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)（左）及轉(zhuǎn)移特性（右）示意圖

四、P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管原理

P溝道耗盡型MOS管的工作原理與N溝道耗盡型MOS管完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性也不同。

五、耗盡型與增強(qiáng)型MOS管的區(qū)別

耗盡型與增強(qiáng)型的主要區(qū)別在于耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時(shí)有導(dǎo)電溝道存在，而增強(qiáng)型MOS管只有在開啟后，才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電溝道；兩者的控制方式也不一樣，耗盡型MOS管的VGS（柵極電壓）可以用正、零、負(fù)電壓控制導(dǎo)通，而增強(qiáng)型MOS管必須使得VGS>VGS（th）（柵極閾值電壓）才行。

由于耗盡型N溝道MOS管在SiO2絕緣層中摻有大量的Na+或K+正離子（制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子），當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)能在P型襯底中感應(yīng)出足夠的電子，形成N型導(dǎo)電溝道；當(dāng)VGS>0時(shí)，將產(chǎn)生較大的ID（漏極電流）；如果使VGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場(chǎng)，使N溝道變窄，從而使ID減小。

這些特性使得耗盡型MOS管在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)備開機(jī)時(shí)可能會(huì)誤觸發(fā)MOS管，導(dǎo)致整機(jī)失效；不易被控制，使得其應(yīng)用極少。

因此，日常我們看到的NMOS、PMOS多為增強(qiáng)型MOS管；其中，PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)。不過(guò)PMOS由于存在導(dǎo)通電阻大、價(jià)格貴、替換種類少等問題，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS替代，這也是市面上無(wú)論是應(yīng)用還是產(chǎn)品種類，增強(qiáng)型NMOS管最為常見的重要原因，尤其在開關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS管。

（一）MOS管重要特性

1、導(dǎo)通特性

導(dǎo)通的意義是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只需柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。

2、損失特性

不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，電流就會(huì)被電阻消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾毫歐至幾十毫歐左右，選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。

MOS管在進(jìn)行導(dǎo)通和截止時(shí)，兩端的電壓有一個(gè)降落過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，這稱之為開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越快，損失也越大。

導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積越大，構(gòu)成的損失也就越大?？s短開關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。

3、寄生電容驅(qū)動(dòng)特性

跟雙極性晶體管相比，MOS管需要GS電壓高于一定的值才能導(dǎo)通，而且還要求較快的導(dǎo)通速度。在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS、GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，理論上就是對(duì)電容的充放電。

對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，由于對(duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一個(gè)要留意的是可提供瞬間短路電流的大??；第二個(gè)要留意的是，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要柵極電壓大于源極電壓。

而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)柵極導(dǎo)通電壓要比VCC高4V或10V，而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。

圖表10  4種MOS管特性比較示意圖

4、寄生二極管

漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管，即“體二極管”，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)、繼電器）應(yīng)用中，主要用于保護(hù)回路。不過(guò)體二極管只在單個(gè)MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。

圖表11  寄生二極管位置示意圖

5、不同耐壓MOS管特點(diǎn)

不同耐壓的MOS管，其導(dǎo)通電阻中各部分電阻比例分布不同。如耐壓30V的MOS管，其外延層電阻僅為總導(dǎo)通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導(dǎo)通電阻的96.5%。

不同耐壓MOS管的區(qū)別主要在于，耐高壓的MOS管其反應(yīng)速度比耐低壓的MOS管要慢，因此，它們的特性在實(shí)際應(yīng)用中也表現(xiàn)出了不一樣之處，如耐中低壓MOS管只需要極低的柵極電荷就可以滿足強(qiáng)大電流和大功率處理能力，除開關(guān)速度快之外，還具有開關(guān)損耗低的特點(diǎn)，特別適應(yīng)PWM輸出模式應(yīng)用；而耐高壓MOS管具有輸入阻抗高的特性，在電子鎮(zhèn)流器、電子變壓器、開關(guān)電源方面應(yīng)用較多。

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