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【硬件基础】探索MOS管深层原理

【硬件基础】探索MOS管深层原理

一.理解PN结与二极管

PN结,顾名思义,当从P到N通过小电流时,导通。
从N到P就不导通,电流无法通过。

也就是利用这一特性制成了二极管。因此二极管有单向导电性。

二.三个半导体制成三极管

从左到右三块半导体分别为N,P,N型半导体。
若P向N2流过小电流,则N2向N1可流过大电流。若P向N2的小电流消失,N2向N1的大电流消失,P和N1之间出现绝缘区域。

三极管缺点:1.通过的大电流有限,大电流需要通过两层PN结,此过程导致发热损耗。
2.三极管是电流控制器件,必须在P和N之间通过一段小电流,这会耗费一定的电能。
3.三极管结构只能做分立器件或小型集成电路,无法实现高密度大规模的集成电路生产。

我们的目的是尽量不让电流通过PN结,从而降低功耗,所以不能掺杂新的半导体,要从半导体的结构入手。


三.结型场效应管JFET
在原有PNP型三极管上,将中间掺杂N型半导体,上下再引出一个引脚。由于N型半导体内有大量自由电子可以移动,因此上下两个引脚始终导通。要想实现开关控制,还要在导通的基础上,让N型半导体之间的电流能够截止(断开),才能实现开关的控制。
因此我们要在两个P极施加负电压,N极施加正电压,让两个PN结都处于反向截止状态。

给PN结施加反向电压,PN结会处于反向截止状态,在PN结结合处会形成较宽的绝缘区域。施加的反向电压越大,绝缘区域就越宽,最终自由电子无法通过绝缘区域,就像手指捏水管一样。

如果将P断负电压断开,失去了反向高电压,绝缘区域不断消失,N型半导体上方的电流又可以重新流入下方,电路从关状态回到开状态,就实现了开关控制。


由于左右PN结始终工作在反向截止状态,没有电流流过,只要施加在P极的负电压,因此该结构是电压控制型器件。

由于新结构是利用PN结绝缘区域的扩散,所以被命名位“结型场效应管JFET”。
由于控制开关的不是电流,是施加在P极上的电压,转换成的绝缘区域扩散的电场效应,是非接触式的“相互作用”,所以叫“场效应”。


如图所示,我们把该结构各个引脚命名,中间流经大电流的区域上方引脚叫“漏极d”,下方电流流出的引脚叫“源极s”,左右两个P型半导体接在一起引出引脚叫“栅极g”。


上图为结型场效应管的符号画法,箭头指向N型半导体。


把JFET用于放大电路效果很好,电流不经过PN结,损耗小,工作稳定噪声小。但是如果用在开关电路由于电压产生的绝缘区域是用“夹紧”的方式断开电流,就像用手夹水管,总会有少量的水通过。对应地,总会有少量电流通过绝缘区域。对于一些需要完全断开的电路是不能接受的。
我们可以这样改进:1.初始状态就是无电压断开状态。2.加电压后才会慢慢导通。

四.增强型MOS场效应管

MOS管利用了类似于电容的原理。对于电容来说,当给上下极板施加电源时,正极板聚集正电荷,负极板聚集负电荷。把负极板换成P型半导体,上面放SiO2作为绝缘层,绝缘层上面再放一层金属膜作为正极。P型半导体有大量空穴,少量自由电子。当给这个电容施加电压,P型半导体中的电子会被吸引到上方绝缘层大量聚集,形成一层电子导电层,施加的电压越大,这个导电层就越厚,能通过的电流也越多。

最后用两个N型半导体充当导电层的两端引脚,最终形成了新的场效应管结构。

把源极s与衬底相连,施加电压的控制端是栅极g。当g和s上施加电压,两侧N型半导体通过电子通道连在一起,可以通过大电流。gs之间不施加电压,两侧N型半导体就不会通过电子通道相连,无法通过大电流。
并且PN交界处形成PN结这种结构,使得断开时完全没有电流通过,弥补了JFET的缺陷。


就如这两幅图一样,施加的gs之间的电压就相当于在河岸上的高科技磁铁,当磁铁在上端时,河里(P型半导体衬底)的、里的自由电子会被吸附到顶部形成电子通道。当磁铁撤走,自由电子被释放,继续杂乱分布,无法形成电流通道。
五.增强型MOS管符号

MOS管中间是三条竖线,分别代表衬底和两边的两个极性,衬底和s内部是连到一起的,N型MOS管箭头朝内,上d下s。P型MOS管箭头朝外,上s下d。

六.耗尽型MOS管

耗尽型MOS管是在绝缘层中掺杂少量正电荷,导致未通电时也会吸引一部分电子,形成部分导电沟道。

耗尽型MOS管符号如上图所示。中间的虚线变为直线。

七.场效应管总结

场效应管分为结型,绝缘珊型。其中增强型MOS管应用最为广泛。

八.增强型MOS管应用电路
N型:


其中,增强型NMOS管是箭头朝内,下s上d,电源正极接g,负极接s,当闭合开关,g极灌入正电压,MOS管导通。g极接下偏置电阻,是为了防止控制端悬空,无连接而出现不稳定情况。且MOS管g端容易积累静电电荷,当积累的静电电压过高会将SiO2绝缘层击穿出现静电击穿。

P型:

P型MOS管箭头朝外,上s下d,s接电源正极。当按键按下,g极输入进低电平,P型MOS管导通电压为负,则此时导通,否则断开。
且g极接上偏置电阻,使控制端无连接时,g端为高电平,保持在截止断开状态。

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