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 106 109W 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 1 vGS 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 iD 0 若在栅 源极间加上正向电压 即 vGS 0 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 vGS VT 时 不能形成导电沟道 管 子处于截止状态 只有当 vGS VT 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 vGS VT 时才能形成导电沟道的 MOS 管称为增强型 MOS 管 2 vDS 对 iD 的影响 图 1 如图 2 a 所示 当 vGS VT 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