什么是耗尽型MOS晶体管

据导电方式的不同,MOSFET又分增强型、耗尽型。耗尽型是指,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。

耗尽型MOS场效应管,是在制造过程中,预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子,因此,在UGS=0时,这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子,形成N型导电沟道。

当UDS>0时,将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0,则它将削弱正离子所形成的电场,使N沟道变窄,从而使ID减小。当UGS更负,达到某一数值时沟道消失,ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压,仍用UP表示。UGS<UP沟道消失,称为耗尽型。

N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似,只有一点不同,就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0时,沟道已经存在。该N沟道是在制造过程中应用离子注入法预先在衬底的表面,在D、S之间制造的,称之为初始沟道。N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图1.(a)所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当VGS>0时,将使ID进一步增加。VGS<0时,随着VGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压,用符号VGS(off)表示,有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图1.(b)所示。

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(a) 结构示意图       (b) 转移特性曲线

图1. N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线

由于耗尽型MOSFET在uGS=0时,漏源之间的沟道已经存在,所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向栅压uGS,栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子,沟道变厚,沟道的电导增大。

如果在栅极加负电压(即uGS<0=,就会在相对应的衬底表面感应出正电荷,这些正电荷抵消N沟道中的电子,从而在衬底表面产生一个耗尽层,使沟道变窄,沟道电导减小。当负栅压增大到某一电压Up时,耗尽区扩展到整个沟道,沟道完全被夹断(耗尽),这时即使uDS仍存在,也不会产生漏极电流,即iD=0。UP称为夹断电压或阈值电压,其值通常在–1V–10V之间N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线和转移特性曲线分别如图2—60(a)、(b)所示。

在可变电阻区内,iD与uDS、uGS的关系仍为

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在恒流区,iD与uGS的关系仍满足式(2—81),即

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若考虑uDS的影响,iD可近似为

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image:bk065241w-5.gif

对耗尽型场效应管来说,式(2—84)也可表示为

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式中,IDSS称为uGS=0时的饱和漏电流,其值为

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P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

在深入探讨耗尽与增强MOS管的区别之前,我们推荐阅读《耗尽MOS管详解:工作原理与应用实例》。这本书详细阐述了耗尽MOS管的工作原理,以及它与增强MOS管在工作方式上的关键差异,非常适合对这一领域感兴趣的读者。 参考资源链接:[耗尽MOS管详解:工作原理与应用实例](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/aserq2f5ot?spm=1055.2569.3001.10343) N沟道耗尽MOS管与增强MOS管的本质区别在于沟道的形成机制。耗尽MOS管在没有施加栅极电压(VGS=0V)时,就已经存在一个导电的N沟道。这是因为其制造过程中在P衬底与N源/漏极之间预先引入了一定量的自由电子,即耗尽区已经有了导电性质。而增强MOS管在VGS=0V时没有导电沟道,需要一个正的栅极电压来诱导出沟道。 当VGS为正时,耗尽MOS管的沟道中电子的密度会增加,导致漏极电流iD增加。而增强MOS管在VGS从零增加至阈值电压以上时,才会开始形成导电沟道。 至于为何耗尽MOS管适合用于低频放大电路,原因在于它的高输入阻抗和良好的线性特性。耗尽MOS管的高输入阻抗意味着栅极的电容效应小,这有助于放大电路在低频段维持较好的信号完整性。此外,耗尽MOS管由于工作在沟道已经形成的条件下,因此在其线性区可以提供稳定的电流增益,这对于低频放大电路中的信号放大和噪声抑制是非常有益的。 为了进一步了解耗尽MOS管如何在不同电子应用中发挥作用,包括功率MOSFET和大规模集成电路中的应用,读者应该查阅《耗尽MOS管详解:工作原理与应用实例》一书中的深入案例研究和实际应用示例。 参考资源链接:[耗尽MOS管详解:工作原理与应用实例](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/aserq2f5ot?spm=1055.2569.3001.10343)
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