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绝缘栅场效应晶体管

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  具有一个或多个在电气上与沟道相互绝缘的栅极的场效应半导体器件。绝缘栅场效应晶体管是利用半导体表面的电场效应进行工作的。由于它的栅极处于绝缘状态,所以输入电阻极高,可达105Ω。它和结型场效应晶体管的不同之处在于导电机理和电流控制原理不同。结型场效应晶体管利用耗尽层的宽度变化来改变导电沟道的宽窄,达到控制漏极电流的目的。绝缘栅型场效应晶体管则利用半导体表面的电场效应,由感应电荷的多少来改变导电沟道的宽窄,达到控制电流的目的。绝缘栅场效应晶体管中,常用二氧化硅(Si

  )为金属栅极和半导体之间的绝缘层即金属一氧化物半导体,简称MOS(meta-loxide-sem

  uctor)管,因此绝缘栅场效应晶体管又称MOSFET。它有N沟道和P沟道两类,而每一类又分增强型和耗尽型两种。增强型就是在uGS=0时,漏源之间没有导电沟道;反之,在uGS=0时,漏源之间存在导电沟道的称为耗尽型。

  它以一块杂质浓度较低的P型硅片为衬底b,在其中扩散两个N区作为电极,分别称为源极s和漏极d。半导体表面覆盖Si

  绝缘层,在漏源之间的绝缘层上再制造一层金属铝,称为栅极g。栅极与源极、漏极之间均是绝缘的。

  MOS管的衬底和源极通常是接在一起的。从图2中可看出,当栅源电压uGS=0时,由于漏源之间有两个背向的PN结,当漏源电压为正时,漏极与衬底之间的PN结加的是反向偏压,漏极与源极之间不可能形成导电沟道,因此,漏极电流iD等于零。

  的绝缘层中,产生一个垂直于半导体表面、由栅极指向P型衬底的电场。这个电场排斥空穴而吸引电子,使靠近二氧化硅一侧P型材料中的空穴被排斥,形成耗尽层。当栅源电压uGS增大到一定值后,则在P型材料的表面感应出许多自由电子,形成一个N型薄层。这个在P型材料中形成的N型层,称为“反型层”,构成了漏源之间的导电沟道,其厚度随着栅源电压uGS进一步增大而增加。当漏源之间形成导电沟道后,如果加上正的漏源电压uDS,便产生漏极电流iD。在漏源电压作用下,开始产生漏极电流iD时的栅源电压称为开启电压UT。由于这类场效应晶体管仅当uGSUT后才出现漏极电流iD,故称为“增强型”。

  如果在制造时,把衬底改为N型,漏极与源极为P型,则可构成P沟道增强型或耗尽型场效应管,其工作原理与N型沟道场效应管相同。使用时UGG、UDD的极性应与N沟道MOS管相反。

  MOS管在使用时衬底和源极通常是接在一起的,如果需要分开,则衬源间的电压uBS必须保证衬源间的PN结是反向偏置,即NMOS管的UBS为负,PMOS管的UBS为正。

  (2)夹断电压UP:在uDS为某一固定值的条件下,使iD等于某一微小电流(便于测量)时所对应的uGS。

  (5)低频跨导gm:在uDS为某一固定值的条件下,iD的微小变化量和引起它变化的uGS的微小变化量之间的比值,即g

  (6)极间电容:场效应管的三个电极之间存在极间电容,即栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。CGS、CGD的数值一般为1~3pF,CDS约为0.1~1pF。管子用于高频电路时,要考虑这些电容的影响。

  (7)最大漏极电流IDM:管子在工作时允许的最大漏极电流。最大耗散功率PDM,是决定管子温升的主要参数。

  (8)漏源击穿电压U(BR)DS和栅源击穿电压U(BR)GS:在增加漏源电压uDS时,使iD开始剧增时的uDS称为U(BR)DS;使栅源间PN结反向饱和电流(即栅极电流)急剧增加时的反向电压uGS称为U(BR)GS。

  MOS场效应管的输入电阻极高,因此,由外界静电感应所产生的电荷不易泄漏,而栅极上的SiO2绝缘层又很薄,将在栅极上产生很高的电场强度,以致引起绝缘层击穿而损坏管子。为此,管子在存放时,应将各极引线短接。焊接时,要将电烙铁外壳接上可靠地线,或者在焊接时,将电烙铁与电源暂时脱离。常在MOS管输入端加置保护措施。保护方法很多,但原理都一样,就是在输入端与栅极之间设置一个串联限流电阻和一个并联的钳位保护电路。图5所示是常用的一种保护电路。当发生过电压时(无论是正向还是反向),V1或V2中总有一只管子呈稳压状态,电流通过R产生电压降,从而限制了加在g、s间的正、负方向的电压,起到保护管子的作用。

  《中国电力百科全书》编辑委员会,中国电力出版社《中国电力百科全书》编辑部.中国电力百科全书:综合卷[M].北京:中国电力出版社,2001

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