p沟道mos管工作原理.doc

P 通道为空穴流，N 通道为电子流，所以场效应三极管也称为单极性三极管。 FET 乃是利用输入电压(Vgs)来控制输出电流(Id)的大小。所以场效应三极管是 属于电压控制元件。它有两种类型，一是结型（接面型场效应管）(JFET)，一 是金氧半场效应三极管，简称 MOSFET，MOSFET 又可分为增强型与耗尽型两种。 N 沟道，P 沟道结型场效应管的 D、S 是由 N(或 P)中间是栅极夹持的通道，这个 通道大小是受电压控制的，当然就有电流随栅极电压变化而变。可以看成栅极 是控制电流阀门。 增强型是指：当 VGS=0 时管子是呈截止状态，加上正确的 VGS 后，多数载流子 被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是 指，当 VGS=0 时即形成沟道，加上正确的 VGS 时，能使多数载流子流出沟道， 因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。栅极电压高低决定电场的变化，进 而影响载流子的多少，引起通过 S、D 电流变化。 MOS 管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。增强 型 MOS 管的漏极 d 和源极 s 之间有两个背靠背的 PN 结。 主板上的 PWM(Plus Width Modulator，脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度可 调的脉冲波形，这样可以使两只 MOS 管轮流导通。当负载两端的电压(如 CPU 需 要的电压)要降低时，这时 MOS 管的开关作用开始生效，外部电源对电感进行充 电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时，通过 MOS 管的开关作用， 外部电源供电断开，电感释放出刚才充入的能量，这时的电感就变成了“电源” ， 当栅-源电压 vGS=0 时，即使加上漏-源电压 vDS，而且不论 vDS 的极性如何， 总有一个 PN 结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道。 MOS 管 MOS 管的英文全称叫 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应晶体管中的绝缘栅 型。因此，MOS 管有时被称为场效应管。在一般电子电路中，MOS 管通常被用于 放大电路或开关电路。而在主板上的电源稳压电路中，MOSFET 扮演的角色主要 是判断电位，它在主板上常用“Q”加数字表示。 一、MOS 管的作用是什么？ 目前主板或显卡上所采用的 MOS 管并不是太多，一般有 10 个左右，主要原 因是大部分 MOS 管被整合到 IC 芯片中去了。由于 MOS 管主要是为配件提供稳定 的电压，所以它一般使用在 CPU、AGP 插槽和内存插槽附近。其中在 CPU 与 AGP 插槽附近各安排一组 MOS 管，而内存插槽则共用了一组 MOS 管，MOS 管一般是 以两个组成一组的形式出现主板上的。 二、MOS 管的性能参数有哪些？ 优质的 MOS 管能够承受的电流峰值更高。一般情况下我们要判断主板上 MOS 管的质量高低，可以看它能承受的最大电流值。影响 MOS 管质量高低的参数非 常多，像极端电流、极端电压等。但在 MOS 管上无法标注这么多参数，所以在 MOS 管表面一般只标注了产品的型号，我们可以根据该型号上网查找具体的性 能参数。 还要说明的是，温度也是 MOS 管一个非常重要的性能参数。主要包括环境温 度、管壳温度、贮成温度等。由于 CPU 频率的提高，MOS 管需要承受的电流也 随着增强，提供近百 A 的电流已经很常见了。如此巨大的电流通过时产生的热 量当然使 MOS 管“发烧”了。为了 MOS 管的安全，高品质主板也开始为 MOS 管 加装散热片了。 电感与 MOS 管是如何合作的？ 通过上面的介绍，我们知道 MOS 管对于整个供电系统起着稳压的作用，但是 MOS 管不能单独使用，它必须和电感线圈、电容等共同组成的滤波稳压电路， 才能发挥充分它的优势。 主板上的 PWM(Plus Width Modulator，脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度 可调的脉冲波形，这样可以使两只 MOS 管轮流导通。当负载两端的电压(如 CPU 需要的电压)要降低时，这时 MOS 管的开关作用开始生效，外部电源对电感进行 充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时，通过 MOS 管的开关作 用，外部电源供电断开，电感释放出刚才充入的能量，这时的电感就变成了 “电源”，继续对负载供电。随着电感上存储能量的不断消耗，负载两端的电 压又开始逐渐降低，外部电源通过 MOS 管的开关作用又要充电。这样循环不断 地进行充电和放电的过程，从而形成一种稳定的电压，永远使负载两端的电压 不会升高也不会降低。 N N 沟道金属沟道金属- -氧化物氧化物- -半导体场效应管半导体场效应管(MOS(MOS 管管) )的结构及工作原理的结构及工作原理 结型场效应管的输入电阻虽然可达 106109W，但在要求输入电阻更高的场 合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是 PN 结的反偏电阻，在高温 条件下工作时，PN 结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应 管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二 氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管）， 因而它的输入电阻可高达 1015W。它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造 大规模及超大规模集成电路。 MOS 管也有 N 沟道和 P 沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种， 二者的区别是增强型 MOS 管在栅-源电压 vGS=0 时，漏-源极之间没有导电沟道 存在，即使加上电压 vDS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生 （iD=0）。而耗尽型 MOS 管在 vGS=0 时，漏-源极间就有导电沟道存在。 一、一、N N 沟道增强型场效应管结构沟道增强型场效应管结构 a) N 沟道增强型 MOS 管结构示意图 (b) N 沟道增强型 MOS 管代表符号 (c) P 沟道增强型 MOS 管代表符号 在一块掺杂浓度较低的 P 型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓 度的 N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极 d 和源极 s。然后在半导体 表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一 个铝电极,作为栅极 g。另外在衬底上也引出一个电极 B，这就构成了一个 N 沟 道增强型 MOS 管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。图 1(a)、(b)分别是 它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由 P(衬底)指向 N(沟 道)。P 沟道增强型 MOS 管的箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示。 二、二、N N 沟道增强型场效应管工作原理沟道增强型场效应管工作原理 1vGS 对 iD 及沟道的控制作用 MOS 管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。从 图 1(a)可以看出，增强型 MOS 管的漏极 d 和源极 s 之间有两个背靠背的 PN 结。 当栅-源电压 vGS=0 时，即使加上漏-源电压 vDS，而且不论 vDS 的极性如何， 总有一个 PN 结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流 iD0。 若在栅-源极间加上正向电压，即 vGS0，则栅极和衬底之间的 SiO2 绝缘层 中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空 穴而吸引电子，因而使栅极附近的 P 型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的 受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时 P 衬底中的电子（少子）被吸引到衬底 表面。当 vGS 数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出 现，如图 1(b)所示。vGS 增加时，吸引到 P 衬底表面层的电子就增多，当 vGS 达到某一数值时，这些电子在栅极附近的 P 衬底表面便形成一个 N 型薄层，且 与两个 N+区相连通，在漏-源极间形成 N 型导电沟道，其导电类型与 P 衬底相 反，故又称为反型层，如图 1(c)所示。vGS 越大，作用于半导体表面的电场就 越强，吸引到 P 衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们 把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用 VT 表示。 由上述分析可知，N 沟道增强型 MOS 管在 vGSVT 时，不能形成导电沟道，管 子处于截止状态。只有当 vGSVT 时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正 向电压 vDS，才有漏极电流产生。而且 vGS 增大时，沟道变厚，沟道电阻减小， iD 增大。这种必须在 vGSVT 时才能形成导电沟道的 MOS 管称为增强型 MOS 管。 2vDS 对 iD 的影响 图 1 如图 2(a)所示，当 vGSVT 且为一确定值时，漏-源电压 vDS 对导电沟道及电 流 iD 的影响与结型场效应管相似。漏极电流 iD 沿沟道产生的电压降使沟道内 各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而 漏极一端电压最小，其值为 vGD=vGS - vDS，因而这里沟道最薄。但当 vDS 较 小（vDS 随着 vDS 的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当 vDS 增加到使 vGD=vGS- vDS=VT(或 vDS=vGS-VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图 2(b)所示。再继 续增大 vDS，夹断点将向源极方向移动，如图 2(c)所示。由于 vDS 的增加部分 几乎全部降落在夹断区，故 iD 几乎不随 vDS 增大而增加，管子进入饱和区，iD 几乎仅由 vGS 决定。 三、特性曲线、电流方程及参数三、特性曲线、电流方程及参数 1特性曲线和电流方程 图 1 N 沟道增强型 MOS 管的输出特性曲线如图 1(a)所示。与结型场效应管一样, 其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移 特性曲线如图 1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流 区),此时 iD 几乎不随 vDS 而变化,即不