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  • 電力場效應管(MOSFET)的結構和工作原理
    • 發布時間:2021-03-16 13:55:43
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    電力場效應管(MOSFET)的結構和工作原理
    由于N溝道增強型MOS管最為常用,因此下面主要介紹這種類型的MOS管。
    1.外形與結構
    N溝道增強型絕緣柵場效應管(簡稱增強型NMOS管)如圖2-14所示。
    場效應管
    圖2-14    N溝道增強型絕緣柵場效應管
    增強型NMOS管的結構是以P型硅片作為基片(又稱襯底),在基片上制作兩個含很多雜質的N型材料,再在上面制作一層很薄的二氧化硅( SiO2)絕緣層,在兩個N型材料上引出兩個鋁電極,分別稱為漏極(D)和源極(S),在兩極中間的SiO2絕緣層上制作一層鋁制導電層,從該導電層上引出電極稱為G極。P型襯底與D極連接的N型半導體會形成二極管結構(稱之為寄生二極管),由于P型襯底通常與S極連接在一起,所以增強型NMOS管又可用圖2-14 (c)所示的符號表示。
    2.工作原理
    增強型NMOS管需要加合適的電壓才能工作。加有電壓的增強型NMOS管如圖2-15所示,圖2-15 (a)為結構圖形式,圖2-15 (b)為電路圖形式。
    場效應管
    圖2-15    加有電壓的增強型NMOS場效應管
    如圖2-15 (a)所示,電源E1通過R1接場效應管的D、S極,電源E2通過開關S接場效應管的G、S極。在開關S斷開時,場效應管的G極無電壓,D、S極所接的兩個N區之間沒有導電溝道,所以兩個N區之間不能導通,ID電流為0;如果將開關S閉合,場效應管的G極獲得正電壓,與G極連接的鋁電極有正電荷,由此產生的電場穿過SiO2層,將P襯底很多電子吸引靠近至SiO2層,從而在兩個N區之間出現導電溝道,此時D、S極之間被加上正向電壓,從而有ID電流從D極流入,再經導電溝道從S極流出。
    如果改變E2電壓的大小,即改變G、S極之間的電壓UGS,與G極相通的鋁層產生的電場大小就會變化,SiO2下面的電子數量就會變化,兩個N區之間溝道寬度就會變化,流過的ID電流大小就會變化。UGS電壓越高,溝道就會越寬,ID電流就會越大。
    由此可見,改變G、S極之間的電壓UGS,就能改變從D極流向S極的ID電流大小,并且ID電流變化較UGS電壓變化要大得多,這就是場效應管的放大原理(即電壓控制電流變化原理)。為了表示場效應管的放大能力,這里引入一個參數——跨導gm,gm用下面的公式計算:
    場效應管
    gm反映了柵源電壓Us對漏極電流ID的控制能力,是表述場效應管放大能力的一個重要的參數(相當于三極管的β),gm的單位是西門子(S),也可以用A/V表示。
    增強型絕緣柵場效應管具有的特點是:在G、S極之間未加電壓(即UGS=0)時,D、S極之間沒有溝道,ID=0;當G、S極之間加上合適電壓(大于開啟電壓UT)時,D、S極之間有溝道形成,UGS電壓變化時,溝道寬窄會發生變化,ID電流也會變化。
    對于N溝道增強型絕緣柵場效應管,G、S極之間應加正向電壓(即UG>Us,UGS= UG-US為正電壓),D、S極之間才會形成溝道;對于P溝道增強型絕緣柵場效應管,G、S極之間須加反向電壓(即UG<US,UGS=UG-US為負電壓),D、S極之間才有溝道形成。
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