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三极管工作原理详解 - 知乎
1、S级,源极,代表发射载流子的级,NMOS则代表发射电子(此时S级为低压侧),PMOS代表发射空穴(此时S级为高压侧)。S极的符号一般有两根线。
2、MOS或三极管符号中,箭头的方向就是电流的方向,也即PN结的方向。
3、N沟道MMOSFET中使用的衬底类型是P型。类似NPN三极管
P沟道MOSFET中使用的衬底类型是N型。类似PNP三极管
4、不论是PMOS还是NMOS,控制结都是源S-栅G,只是PMOS要求VS>VG,而NMOS要求VG>VS,一般手册里面会把PMOS的VGS标注为负值,代表源极S电压高。
耗尽型与增强型MOS管的区别主要在于耗尽型MOS管在G端(Gate)不加电压时有导电沟道存在,而增强型MOS管只有在开启后,才会出现导电沟道;两者的控制方式也不一样,耗尽型MOS管的VGS(栅极电压)可以用正、零、负电压控制导通,而增强型MOS管必须使得VGS>VGS(th)(栅极阈值电压)才行。实际电路中用增强型比较多。
下图是NMOS的示意图,也即N衬底,N沟道。源极S和漏极D都与衬底相连,这个衬底被夹在中间的栅极G给拦出了一条沟。凭什么把衬底的名字作为MOS的名字,而不是把栅极的名字作为MOS的名字?试想一下,你见过用水泥做的水沟,水沟中是水,问你这个水沟是水泥做的,还是水做的?当然是水泥,也即水沟的墙壁的材质,才是水沟的名字。这就是为什么把P衬底叫做P沟道,把N衬底叫做N沟道了。
三极管中的箭头也是PN结的方向,且这个箭头被标注在了控制结上,对于NPN,BE之间的电流控制CE之间的电流,所以箭头在BE上;同理PNP三极管的控制结也在BE上。控制结总是BE所在的结。
对于负载,显然不能接在控制结上,它会影响控制信号,所以负载都在集电极上。
上面这个黄色的图和下面这个图是一模一样的,只是把PNP上下掉了个方向:
找到一个各种mos符号的图如下:这个图里面的箭头方向比较乱,看第一行全是PMOS,箭头有的从S->G,有的从G->S。按照前文的标注规则,箭头要画在控制结上,也即G<->S结上,对于PMOS,电流的流向是S->G,那么下图第一行的第1个、第4个就符合这条规则。第2/5个不知道咋回事
MOS管是FET的一种(另一种为JFET结型场效应管),主要有两种结构形式:N沟道型和P沟道型;又根据场效应原理的不同,分为耗尽型(当栅压为零时有较大漏极电流)和增强型(当栅压为零,漏极电流也为零,必须再加一定的栅压之后才有漏极电流)两种。因此,MOS管可以被制构成P沟道增强型、P沟道耗尽型、N沟道增强型、N沟道耗尽型4种类型产品。
N沟道MOSFET中使用的衬底类型是P型。类似NPN三极管
P沟道MOSFET中使用的衬底类型是N型。类似PNP三极管
每一个MOS管都提供有三个电极:Gate栅极(表示为“G”)、Source源极(表示为“S”)、Drain漏极(表示为“D”)。接线时,对于N沟道的电源输入为D,输出为S;P沟道的电源输入为S,输出为D;且增强型、耗尽型的接法基本一样。
从结构图可发现,N沟道型场效应管的源极和漏极接在N型半导体上,而P沟道型场效应管的源极和漏极则接在P型半导体上。场效应管输出电流由输入的电压(或称场电压)控制,其输入的电流极小或没有电流输入,使得该器件有很高的输入阻抗,这也是MOS管被称为场效应管的重要原因。
1、NMOS
当将衬底B与源极S短接,在栅极G和源极S之间加正电压,即VGS>0时,如图表3(a)所示,则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下,P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动,电子受电场的吸引向衬底表面运动,与衬底表面的空穴复合,形成了一层耗尽层。
如果进一步提高VGS电压,使VGS达到某一电压VT时,P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽,而自由电子大量地被吸引到表面层,由量变到质变,使表面层变成了自由电子为多子的N型层,称为“反型层”,如图表3(b)所示。
反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通,构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的VGS值称为阈值电压或开启电压,用VGS(th)表示。显然,只有VGS>VGS(th)时才有沟道,而且VGS越大,沟道越厚,沟道的导通电阻越小,导电能力越强;“增强型”一词也由此得来。
NMOS和NPN三极管类似,给出一个导通条件的示例电压:D:12V,G:5V,S:0V。负载一般接在D端。GS电压超过阈值电压时,则DS被导通。
2、P沟道增强型场效应管原理
P沟道增强型MOS管因在N型衬底中生成P型反型层而得名,其通过光刻、扩散的方法或其他手段,在N型衬底(基片)上制作出两个掺杂的P区,分别引出电极(源极S和漏极D),同时在漏极与源极之间的SiO2绝缘层上制作金属栅极G。其结构和工作原理与N沟道MOS管类似;只是使用的栅-源和漏-源电压极性与N沟道MOS管相反。
在正常工作时,P沟道增强型MOS管的衬底必须与源极相连,而漏极对源极的电压VDS应为负值,以保证两个P区与衬底之间的PN结均为反偏,同时为了在衬底顶表面附近形成导电沟道,栅极对源极的电压也应为负。
给出一个PMOS导通的示例电压:S:12V ,G:9V,D:0V。
下面是一个PMOS的参数表:VDS代表从D到S的压降,也即S比D高100v,S为高压侧。
下图是某个PMOS的导通特性参数表:
VGS为[-1,-2.5]v之间时导通,具体值取决于温度、工艺的不一致性、DS之间的电压等。
负值代表S比G的电压高。