MOS管打开时,正向和反向都能导通么?

文摘   科技   2024-08-07 18:59   浙江  

MOS管打开时,是否正向和反向都能导通?

答案是肯定的,MOS管打开时,正反都能导通。那么同时也会有两个疑问:

1,为什么MOS管Vds加正电压,或加反向电压同样都能导通;

2,为什么在电路设计中几乎都是Vds正电压应用,而很少Vds反电压的应用。

如果阅读过程中存在一些术语或原理上的疑问,请关注个人主页“专栏”中的“半导体元器件基础”专题,里面会有更基础的理论解释。

1,MOS管导通的原理

MOS管的全称是MOSFET,中文全称是:金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor),一个器件的名字往往体现了它的最重要特点,我们来理解下它的名字:

首先,“金属-氧化物-半导体”(简称:MOS)表现了MOS管的组成及结构:

1. G极(栅极):由金属-氧化物组成(目前栅极导电部分大多采用多晶硅,而非金属),与BJT的B极(基极)不同,MOS管的G极与半导体之间是绝缘的;

2. D极(漏极)和S极(源极):由半导体组成,同BJT类似(具体结构相差很大),所以MOS管主要有:金属(多晶硅),氧化物(绝缘层)和半导体所构成。

其次,“场效应晶体管”(FET)体现了MOS管的工作方式:

1. 场效应:是利用控制输入回路的电场效应(电压)来控制输出回路电流,它利用加在G极(栅极)上电压产生电场,使得沟道上靠近G极形成多数载流子的通道;所以它只有多数载流子参与导电,是单极型晶体管

2. 晶体管:指以半导体材料为基础的单一元件,它遵循PN结理论与工作原理。

看了MOS管的名字介绍还是一头懵逼啊,接下来咱们以NMOS为例来介绍其导通原理,从而更好理解MOS管的工作方式。

NMOSFET的结构图如下所示,其实由四部分组成:源极S,栅极G,漏极D和衬底B。我们可能很少关注到衬底B这东西,咱们下面会再讲到它。

增强型NMOS管结构图

那么NMOS管工作时候是怎样的呢?如下图所示,在G和B(衬底)之间加一个电压(而非GS之间),由于G极是“绝缘”栅结构(G和B的中间有一层绝缘材料),那么G和B完全可以看成一个平板电容器(这个“电容”是MOS管工作的核心),所以当G极上聚集了大量的“正电荷”时,必然会在B衬底靠近G极附近感应出“负电荷”。

虽然B是P型半导体(空穴占大多数),但只要G和B之间的电压足够大,则必然能“拉扯”出足够多的“自由电子”聚集在G极下方(D和S之间)的通道上。

好,那么S极和D极都是N+半导体,它们都带有很多“自由电子”,而S和D之间也有很多“自由电子”,这是啥呢?这不就是一根“金属导线”嘛~ 我们对铜导线有电压的方向要求么?没有。那么自由电子是从S到D还是从D到S有什么差别嘛?没有任何差别。

——PMOS的原理也是一样的,问题的关键是我们如何去理解“空穴”,简单来说“空穴”可以看成是自由移动的“正电子

2,为什么实际电路设计中的电流大多是D->S方向

我们还是看上面的这张图,上面说了NMOS管要导通,电压是加在G和B上的(Vgb),那为什么我们在器件资料上看到的MOS管开启电压是Vgs呢?

那时因为MOS管内部已经将S极和B极连在了一起,S极和P衬底是等电势的,我们加了Vgs电压就相当于在Vgb上加了一个电压。

从NMOS管的结构来看,S极到D极是:N+(S)->P(B)->N+(D),现在S和B是短路的,那么S极到D极就变成了P(S/B)->N+(D),这个就是一个妥妥的二极管了(体二极管)。所以如果在Vds上加一个负电压,就算MOS管不打开,电流同样能够通过该体二极管流过。

此时MOS管就失去了它开关的作用了,我们使用MOS管,是要实现一个可控的“开关”,但是如果设计Vds反向电压,此时就只能作为“二极管”使用了,那为什么不直接选用一个二极管呢?

当然有一些应用(BUCK开关电源的下管)会用到该“体二极管”作为短时续流二极管,但还是需要有关断MOS管的应用的,如果DS之间反向设计会有问题。


牧神园地
硬件基础技术分享
 最新文章