mos管直流特性與導通特性-JFET與MOS管直流特性分析比較-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-06-12
MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類(lèi)型，但實(shí)際應用的只有增強型的N溝道MOS 管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。
對于這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易制造。所以開(kāi)關(guān)電源和馬達驅動(dòng)的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)有辦法避免，后邊再詳細介紹。
在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅動(dòng)感性負載（如馬達），這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句，體二極管只在單個(gè)的 MOS 管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒(méi)有的。
導通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS 的特性，Vgs 大于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅動(dòng)），只要柵極電壓達到 4V 或 10V 就可以了。PMOS的特性，Vgs 小于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅動(dòng)）。但是，雖然PMOS 可以很方便地用作高端驅動(dòng)，但由于導通電阻大，價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因，在高端驅動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
場(chǎng)效應管是一種利用電場(chǎng)效應來(lái)控制其電流大小的半導體器件，根據結構的不同，場(chǎng)效應管可分為兩大類(lèi)：結型場(chǎng)效應管(JEFT)和絕緣柵場(chǎng)效應管(MOSFET)，在分析比較它們的直流特性之前，首先對它們的結構和原理作簡(jiǎn)單的比較。JFET按導電溝道可分為N溝道和P溝型，按零柵壓(U GS =0)時(shí)器件的工作狀態(tài)，又可分為增強型(常關(guān)型)和耗盡型(常開(kāi)型)兩種，因此 JFET 可以分為四種類(lèi)型。
同樣的，對于MOSFET也是如此，也分為四種類(lèi)型即：N溝耗盡型、N溝增強型、P溝耗盡型、P溝增強型。在下面對JFET和MOSFET的分析對比中，都以 N 溝類(lèi)型的場(chǎng)效應管為例，進(jìn)行說(shuō)明其他種類(lèi)的場(chǎng)效應管的原理與分析方法類(lèi)似。
N 溝道JFET工作時(shí) ，在柵極和源極之間需要加一負電壓(VGS<0)，使得柵極、溝道間的PN結反偏，柵極電流iG≈0。在漏極與源極間加一正電壓(VDS >0)，使N溝道中的多數載流子(電子)在電場(chǎng)作用下由源極向漏極運動(dòng)，形成電流iD。其大小受VGS控制，VGS在JFET結構中主要通過(guò)控制溝道電阻，來(lái)控制ID的大小。通過(guò)設置不同的VGS和VDS便可以使得JFET工作在不同的狀態(tài)下。
當 U DS 為一定值時(shí)，漏源電流IDS的大小隨柵源電壓UGS的改變而變化，這是因為柵結耗盡層厚度是隨柵源電壓變化而變化的，因此也使得導電溝道電阻發(fā)生變化，致使ID也相應變化。如圖 1-1(a)所示的 PN 結，柵耗盡區的大部分擴展在PN結的N區一側，柵PN結上的反偏電壓越大，耗盡區就會(huì )越寬，因而使夾在上下兩耗盡區之間的導電溝道截面積減小，導電溝道電阻增加，致使通過(guò)它的電流減小。反之，會(huì )使得漏極電流變大。
當負柵壓很高時(shí)，整個(gè)溝道從源到漏被空間電荷區所占滿(mǎn)，此時(shí)即使在漏源之間加上偏壓，溝道中葉不會(huì )有電流通過(guò)，此時(shí)JFET處于截止狀態(tài)。
當UGS一定時(shí)，在圖1-1(a)所示的N溝JFET兩端之間加上一正電壓UDS ，由于溝道相當于一個(gè)電阻，因此此時(shí)將有電流經(jīng)過(guò)溝道從漏極流向源極。當UDS增加時(shí)漏源電流也隨之增加，同時(shí)漏源電流在溝道電阻上產(chǎn)生的壓降也隨之增加，靠近漏極端高，源極端低。漏極端正向壓降使柵極PN結反偏，柵漏結的空間電荷區從溝道的兩邊向溝道的中心展寬，最終使漏極端溝道被夾斷。夾斷后如果漏極電壓進(jìn)一步增加，U DS主要落在空間電荷層上，對溝道載流子的作用減弱，所以即使UDS 繼續增加，漏源電流也基本不變，此時(shí)處于飽和狀態(tài)。此后，若UDS 仍繼續增加至PN結反向擊穿電壓時(shí)，JFET 就會(huì )發(fā)生擊穿。
通過(guò)以上分析，可以得到JFET共源極輸出特性曲線(xiàn)和相應的轉移特性曲線(xiàn)如圖 2-1所示。
MOS 場(chǎng)效應管的柵極和半導體之間被氧化硅層阻隔，器件導通時(shí)只有從漏極經(jīng)過(guò)溝道到源極這一條電流通路。
通過(guò)以上分析，同樣根據式(1-1)和(1-2)對輸出特性和轉移特性的定義，可以得到NMOS的輸出和轉移特性曲線(xiàn)如圖2-2所示：
1、 飽和漏極電流IDSS
當柵源電壓UGS=0時(shí)，漏源電壓UGS大于夾斷電壓UP時(shí)對應的漏極電流。對于JFET，就是UGS=0時(shí)出現預夾斷時(shí)所對應的漏極電流。
2、 夾斷電壓UP
當漏源電壓一定時(shí)，使漏極電流iD減小到某一微小電流時(shí)所需的柵源電壓UGS的值。對于JFET和耗盡型MOSFET，夾斷電壓UP大致就是轉移特性曲線(xiàn)與橫軸焦點(diǎn)對應的UGS。
3、 開(kāi)啟電壓UT
當UDS一定時(shí)，漏極電流iD達到某一數值時(shí)所需加的UGS的值。對于增強型場(chǎng)效應管，開(kāi)啟電壓UT大致就是轉移特性曲線(xiàn)與橫軸焦點(diǎn)對應的 UGS 。開(kāi)啟電壓與夾斷電壓的區別在于其針對的對象不同，開(kāi)啟電壓是針對增強的MOS管而言的，而夾斷電壓時(shí)針對JFET或耗盡型MOS管而言的。
4、 直流輸入電阻RGS
R GS 是柵源電壓UGS與產(chǎn)生的柵極電流之比，由于場(chǎng)效應管的柵極幾乎沒(méi)有電流，因此輸入電阻很高。
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