P沟道与N沟道MOSFET的基本概念

2024-03-01 01:52
文章标签 基本概念 mosfet 沟道

本文主要是介绍P沟道与N沟道MOSFET的基本概念,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

N沟道与P沟道MOSFET基本原理与区别

学习MOSFET时的简单笔记作为个人总结,仅供学习参考,实际电路设计请直接略过!!!


文章目录

  • N沟道与P沟道MOSFET基本原理与区别
  • 前言
  • 一、MOSFET ?
  • 二、N沟道MOS管原理
  • 三、P沟道MOS管
  • 四、电路符号区分
  • 五、注意事项
  • 总结


前言

MOSFET也是就电路设计中常常提到的MOS管,其是一种三端、电压控制、高输入阻抗和单极器件,是不同电子电路中必不可少的元件。一般来说,这些器件根据其默认状态下是否有相应的通道,分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET两类。同样有根据托底材料不同,每一类中又分为P沟道MOSFET和N沟道MOSFET,在本文主要介绍增强型MOSFET。


一、MOSFET ?

MOSFET:M(Metal金属)O(Oxide氧化物)S(Semiconductor半导体),FET(Field Effect Transistor场效应晶体管),即以金属氧化物场效应半导体场效应晶体管,是一个三端控制器,电压控制、高输入阻抗的单极器件。在电路中可视为一个开关管,其通断频率和峰值电压都非常高,且价格便宜,因此被广泛应用于各种电子电路中。后文将以N沟道增强型MOSFET为例讲其工作原理,P沟道MOSFET可进行类比。

二、N沟道MOS管原理

如下图所示,蓝色区域为N型半导体,是在纯净硅晶体中掺入5价的磷,N型半导体就会有多余自由电子(蓝色区域的红色圆)所以可以导电;黄色区域P型半导体,是在纯净硅晶体中掺入3价的硼,P型半导体就会有很多空穴和极少量自由电子(黄色区域的绿圆)所以不可导电。
在这里插入图片描述
当外部使用电池连接两个N型半导体,此时两个N型半导体之间可看出两个方向相反的二极管,所以此时不能导通。

在这里插入图片描述

为了使得电路导通,在两个N型半导体之间铺上一层绝缘层,再在绝缘层上放一块金属板,形成栅极,在栅极接入电池正极施加一个电压,此时金属板形成一个正向电场,吸引P型半导体中的自由电子到两个N型半导体之间,此时就形成了所谓的N沟道,此时两个N型半导体之间有足够多的自由电子,可视为导通状态,电流从漏极流向源极,如果在栅极取消电压,P型半导体自由电子就会逃离N沟道,栅极和漏极之间就处于截至状态。
基本原理就是利用给栅极施加电压控制漏极和源极的导通和截至。
在这里插入图片描述

三、P沟道MOS管

P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区,分别叫做源极和漏极,两极之间不通导,当给栅极施加一个负电压时,栅极下方的p型半导体区域中的空穴会被吸引到靠近栅极的区域,形成一个导电通道。此时,如果给源极极施加一个正电压,那么空穴就会从源极通过这个导电通道流向漏极,形成电流。当栅极电压与源极电压差值小到一定程度时,导电通道会逐渐变窄,直至消失,此时p沟道MOS管处于截止状态。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。
在这里插入图片描述
注意:
1.MOS管的栅极因为有绝缘层存在不能导通所以输入不取电流,且输入阻抗非常高,其输入电阻甚至可达上亿欧姆。
2.栅极阻抗很大,电荷难以释放,这就导致栅极的绝缘层容易被静电击穿,造成MOS管永久损坏。

四、电路符号区分

前面介绍的都是增强型MOS,还有一类为耗尽型MOS,区别在于耗尽型在制作时沟道已存在,所以在栅极不施电场时,MOS管即可导通,在栅极施加电场时,沟道消失,MOS关断。而增强型MOS刚好相反。所以从电路符号来判断,耗尽型MOS中间是一段完整实线,而增强型MOS中间是三段虚线。
对于NMOS和PMOS而言,电路符号区别在于中间箭头指向,这里巧妙的理解就是把箭头理解为托底材料中自由电子的运动方向,因为:
1.NMOS栅极施加正电压,电子向靠近栅极运动,电流方向又与电子运动方向相反,所以导通电流由漏极(D)流向源极(S)
2.PMOS栅极施加负电压,电子向原理栅极运动,电流方向又与电子运动方向相反,所以导通电流由源极(S)流向漏极(D)
在这里插入图片描述
有的图上是有寄生二极管的,如下图所示,其主要是防止源漏接反、VDD过压或反向感生电压击穿MOS管导致MOS管损坏(寄生二极管方向与电子运动方向一致)。
在这里插入图片描述

五、注意事项

了解了MOS管的种类和原理,再简单说一下其注意事项
封装:MOS管的外形和尺寸,种类繁多,,封装越大,承受的电流也就越大,可根据实际电路需求选择
Vgsth: 漏极和源极的导通时,所在栅极施加的临界电压值,是每个MOS的固有属性
Rdson: MOS被完全打开之后,源极与漏极之间的电阻值,是每个MOS的固有属性(一般越小越好,但也伴随着造价越高)
Cgs: 这个参数比不常见,表示栅极与源极之间寄生电容的大小,影响到MOS的打开速度,一般在PWM调波是需要注意
栅极导通电压: 如图,Rds是漏极与源极之间的电阻值,Vgs是栅极与源极电压差。
在这里插入图片描述

应用中比较常见的就两种增强型MOS管,使用较多的是NMOS,因其导通电阻小,且成本低廉,在开关电源和电机驱动的应用中比较常见


总结

1.开关属性:PMOS:低通高关,NMOS高通低关
2.电流方向:PMOS:由源到漏,NMOS由漏到源

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