什么是增强型和耗尽型MOS管?

文摘   科技   2024-08-01 18:59   浙江  

我们平时接触的大多数MOS管是增强型MOS管,即:在Vgs没有加正向电压时,MOS管是处于关断状态的。然而在实际电路应用中,有各种不同的需求,于是创造出来了多种不同类型的MOS。

这些不同类型的MOS管的工作原理有什么不同呢?我们接下来做简要介绍。

1,增强型NMOS

增强型NMOS管是N+P+N的结构,中间为P型衬底,所以沟道在默认情况下并没有“自由电子”可供通电流,同时P型衬底与DS的交界处会形成两个PN结—“空间电荷区”(耗尽层)。

接下来我们看下在不同电压条件下的状态:

1. Vgs=0V时,DS之间由两个二极管背靠背串联,所以在DS之间加电压不会形成电流,处于断开状态。

2. 0<Vgs<Vth时,G极指向衬底方向的电场使得空穴向下移动,“自由电子”向上移动(漂移运动),在衬底上表面形成耗尽层,但还是没有电流。

3. Vgs>Vth时,G极下衬底形成N型电导沟,当DS之间加电压可产生电流。

4. Vgs越大,N沟道越宽(“自由电子”浓度越高),DS之间的等效电阻Rds越小,在相同Vds电压作用下,漏极电流越大。

2,耗尽型NMOS

耗尽型NMOS管,制造时在二氧化硅绝缘层中掺入大量正离子(带正电),此时沟道在默认条件下(Vgs无外加正向电压)通过本身自带正电场“吸附”了一些“自由电子”,并形成导电通道。此时DS之间的电流通道已背打通。

所以耗尽型NMOS相对增强型NMOSV-I曲线上,呈现电压偏移特性,需要在Vgs加上负电压才能关闭MOS管。

1. Vgs=0V时,就存在导电沟道,如果在DS极之间加电压Vds,就会有Id电流。

2. Vgs>0V时,沟道增宽,ID电流进一步增加。

3. Vgs<0V时,沟道变窄,加ID电流减少。

3PMOS

P沟道MOS管结构与N沟道MOS管互为对偶关系,此时需要G极带负电才能“吸附”带正电的“空穴”。所以使用PMOS管时VgsVds的极性与N沟道刚好相反,即Vgs要加负电压。

1. P沟道增强型MOSVgs(th)为负值,当Vgs< Vgs(th)时导通。

2. P沟道耗尽型MOSVgs(off)为正,Vgs< Vgs(off)时导通。

那么,大家可能又会产生一个疑惑:P型半导体只有 “空穴”,而几乎无“自由电子”,为什么N型衬底在默认情况的沟道通道上有“自由电子”时不能导通,反而需要将“空穴”吸附到沟道通道才能导通呢?

好,我们再强调一次:“空穴”可以等价看成 “正自由电子”,它可以移动,但质量略大于“自由电子”(迁移率较低)。具体请回顾之前介绍PN结章节内容。

4,功率MOS

功率MOS管从字面上理解是为大功率、高耐压应用所设计;在结构上功率MOSFET分为: LDMOSVDMOS

所谓LDMOS是指:横向双扩散金属氧化物半导体场效应管;如下图所示。

那这样结构的功率MOS管相对普通MOS管有哪些优势(不同)呢?

1. 在相同源/漏(S/D)区域注入两次:一次注入浓度较大的砷(5+),另一次注入浓度较小的硼(3+)。

2. 在高温推进过程,由于硼(3+)扩散比砷(5+)快,所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远, 从而形成一个有浓度梯度的沟道,沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定。

3. 为增加击穿电压,在源(S)区和漏(D)区之间有一个漂移区,漂移区的杂质浓度比较低,因此当接高压时,漂移区能够承受更高的电压。

LDMOS管的优点:兼容性高,工艺简单,耐高温性能稳定。

LDMOS管的缺点:单元面积大、成本高,导通电阻和击穿电压折中

LDMOS是为蜂窝电话技术开发,用于微波低端大功率发射器件

VDMOS是指:纵向双扩散金属氧化物半导体场效应管,其结构同IGBT非常类似(少了一个P型底):

1. 衬底为高掺杂N+,上面为N-的漂移层,再上面为两个连续的P-扩散区,且沟道在P-区域形成。

2. P-区域内部扩散形成的两个N+为源极。

3. 硅片表面形成的栅极氧化物,形成高质量的氧化层,从而产生沟道。

VDMOS的优点:导通电阻小、单元面积小。

VDMOS的缺点:开启电压高(与MOS兼容性低)、成本高、工艺复杂。

VDMOS管广泛应用于各种领域:电机调速、逆变器、开关电源、电子开关,保真音响、汽车电器以及电子镇流器等。

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