一、電子和空穴
半導(dǎo)體中有兩種載流子:自由電子和空穴。
自由電子就是指不被約束在某一個(gè)原子內(nèi)部的電子。這種電子在受到外電場(chǎng)或外磁場(chǎng)的作用時(shí),能夠在物質(zhì)中或真空中運(yùn)動(dòng)。
空穴又稱電洞(Electron hole),在固體物理學(xué)中指共價(jià)鍵上流失一個(gè)電子,最后在共價(jià)鍵上留下空位的現(xiàn)象。即共價(jià)鍵中的一些價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得一些能量,從而擺脫共價(jià)鍵的約束成為自由電子,同時(shí)在共價(jià)鍵上留下空位,我們稱這些空位為空穴。
N型半導(dǎo)體(N為Negative的字頭,由于電子帶負(fù)電荷而得此名):摻入少量雜質(zhì)磷元素(或銻元素)的硅晶體(或鍺晶體)中,由于半導(dǎo)體原子(如硅原子)被雜質(zhì)原子取代,磷原子外層的五個(gè)外層電子的其中四個(gè)與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵,多出的一個(gè)電子幾乎不受束縛,較為容易地成為自由電子。于是,N型半導(dǎo)體就成為了含電子濃度較高的半導(dǎo)體,其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。
P型半導(dǎo)體(P為Positive的字頭,由于空穴帶正電而得此名):摻入少量雜質(zhì)硼元素(或銦元素)的硅晶體(或鍺晶體)中,由于半導(dǎo)體原子(如硅原子)被雜質(zhì)原子取代,硼原子外層的三個(gè)外層電子與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“空穴”,這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)“填充”,使得硼原子成為帶負(fù)電的離子。這樣,這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”(“相當(dāng)于”正電荷),成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。
二、MOS管的符號(hào)
上圖為N溝道MOS管與P溝道MOS管,兩者在符號(hào)上的差異在于中間的箭頭與體二極管的方向不同。中間的箭頭方向含義為導(dǎo)通時(shí)半導(dǎo)體內(nèi)自由電子的移動(dòng)方向,在后文會(huì)詳細(xì)說(shuō)明。由于耗盡型MOS管如今應(yīng)用場(chǎng)景已不多,在此不做介紹。
三、MOS管的結(jié)構(gòu)
以增強(qiáng)型NMOS為例,下圖為增強(qiáng)型NMOS的結(jié)構(gòu)圖。
對(duì)于增強(qiáng)型NMOS而言,源極和漏極連接部分為N型半導(dǎo)體,帶有多數(shù)載流子自由電子和少數(shù)載流子空穴。柵極連接一塊金屬,金屬帶有很多自由電子,下方是一塊絕緣體(二氧化硅),故MOS稱為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。襯底連接一塊P型半導(dǎo)體(通道區(qū)也屬于P型襯底的部分),帶有多數(shù)載流子空穴和少數(shù)載流子自由電子。
增強(qiáng)型PMOS的結(jié)構(gòu)圖與其十分類似,但未找到類似示意圖,下文以文字形式解釋。
四、MOS管的工作原理
對(duì)于增強(qiáng)型NMOS而言,源極和漏極連接部分為N型半導(dǎo)體,帶有多數(shù)載流子自由電子和少數(shù)載流子空穴,自由電子經(jīng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)離開(kāi)N型半導(dǎo)體,進(jìn)入P型半導(dǎo)體,此時(shí)半導(dǎo)體帶正電。柵極連接一塊金屬,金屬帶有很多自由電子,下方是一塊絕緣體(二氧化硅),故MOS稱為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。襯底連接一塊P型半導(dǎo)體,帶有多數(shù)載流子空穴和少數(shù)載流子自由電子。
當(dāng)漏源電壓(VDS)連接在漏極和源極之間時(shí),正電壓施加到漏極,負(fù)電壓施加到源極。在這里,漏極的 PN 結(jié)是反向偏置的,而源極的 PN 結(jié)是正向偏置的。在這個(gè)階段,漏極和源極之間不會(huì)有任何電流流動(dòng)。
如果我們將正電壓 (VGS ) 施加到柵極端子,由于靜電引力,P襯底中的少數(shù)電荷載流子(電子)將開(kāi)始積聚在柵極觸點(diǎn)上,從而在兩個(gè) n+ 區(qū)域之間形成導(dǎo)電橋。NMOS符號(hào)中的箭頭指向即此處的自由電子流向。由于N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子為自由電子,故由自由電子形成的導(dǎo)電溝道稱為N溝道。
在柵極接觸處積累的自由電子的數(shù)量取決于施加的正電壓的強(qiáng)度。施加的電壓越高,由于電子積累而形成的 n 溝道寬度越大,這最終會(huì)增加電導(dǎo)率,并且漏極電流 (ID ) 將開(kāi)始在源極和漏極之間流動(dòng)。
當(dāng)沒(méi)有電壓施加到柵極端子時(shí),除了由于少數(shù)電荷載流子而產(chǎn)生的少量電流外,不會(huì)有任何電流流動(dòng)。mos管開(kāi)始導(dǎo)通的最小電壓稱為閾值電壓。
PMOS的原理和NMOS十分相近。不同之處在于半導(dǎo)體放置和導(dǎo)電載流子。其源極和漏極連接部分為P型半導(dǎo)體,襯底連接一塊N型半導(dǎo)體。當(dāng)我們將負(fù)電壓加到柵極和源極(一般源極和襯底相連,相當(dāng)于加到柵極和襯底)時(shí),N型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子(空穴)將開(kāi)始積聚在柵極觸點(diǎn)上,從而在兩個(gè)P-區(qū)域之間形成導(dǎo)電橋。PMOS符號(hào)中的箭頭指向即此處的自由電子流向。由于P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子為空穴,故由空穴形成的導(dǎo)電溝道稱為N溝道。
五、關(guān)于體二極管
由上文可知,NMOS有個(gè)P型的襯底,漏極是P型襯底上做的N型反型區(qū),這樣就簡(jiǎn)單的形成了一個(gè)PN結(jié),如果在漏極和襯底之間加一個(gè)電壓,那么電流會(huì)順著這個(gè)PN結(jié)流通。
一般情況下,單體的MOS管襯底是不獨(dú)自引出來(lái)的,通過(guò)把它接到源極上,也就是和源極短路,那么自然而然這個(gè)PN結(jié)就相當(dāng)于是源極到漏極了。
同理PMOS也是一樣,PMOS是在N型襯底上反型出兩塊P型半導(dǎo)體的區(qū)域地盤(pán)。襯底與漏極之間同樣有這個(gè)PN結(jié)。當(dāng)把襯底連接在源極上時(shí),就出現(xiàn)了從漏源之間的二極管了。
六、關(guān)于空穴
值得一提的是,空穴是不動(dòng)的,在PN結(jié)中動(dòng)的都是是電子,看起來(lái)好象是空穴在移動(dòng),其實(shí)是自由電子擴(kuò)散的時(shí)候不斷的脫離原來(lái)的空穴去填充新的空穴,所以看起來(lái)就好象空穴在移動(dòng)了。在應(yīng)用場(chǎng)景中我們一般將空穴導(dǎo)電抽象為空穴的移動(dòng)。
此外自由電子和空穴在半導(dǎo)體中的遷移率不同,自由電子的運(yùn)動(dòng),自始至終是不受共價(jià)鍵影響的,它處于共價(jià)鍵之外,電場(chǎng)能量可以幾乎“無(wú)損”地作用于電子定向運(yùn)動(dòng)。然而空穴就不一樣了,因?yàn)榭昭ㄌ幱诠矁r(jià)鍵之上,空穴運(yùn)動(dòng)是鄰近電子不斷擺脫共價(jià)鍵束縛的過(guò)程,也就是不斷克服共價(jià)鍵束縛力做功的過(guò)程,這也是為什么大多數(shù)相同封裝依靠自由電子導(dǎo)電的NMOS的額定電流大于依靠空穴導(dǎo)電的PMOS的原因。
七、關(guān)于MOS反向?qū)?/div>
在大多數(shù)MOS的數(shù)據(jù)手冊(cè)中,并沒(méi)有給出反向?qū)ㄏ嚓P(guān)參數(shù),但反向?qū)ǖ膽?yīng)用卻是十分廣泛的,在此給出我對(duì)反向?qū)ǖ睦斫狻?/div>
從上文我們可以得出結(jié)論,只要控制柵源電壓使得導(dǎo)電溝道開(kāi)啟,那么漏極和源極之間即可導(dǎo)通。而漏極和源極在結(jié)構(gòu)上看是十分對(duì)稱的,因此在柵源電壓控制得好,以及漏源電壓沒(méi)有使得體二極管導(dǎo)通的情況下,正向與反向?qū)ń钥梢詤⒖紨?shù)據(jù)手冊(cè)中正向?qū)ǖ碾姎鈪?shù)。
那么是否存在反向?qū)〞r(shí)導(dǎo)電溝道和體二極管同時(shí)導(dǎo)通的情況呢?體二極管導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通內(nèi)阻十分大,一般在柵源電壓較大,使得MOS的導(dǎo)電溝道完全導(dǎo)通時(shí),體二極管是不容易導(dǎo)通的,因?yàn)榧僭O(shè)反向?qū)ü軌航的苓_(dá)到開(kāi)啟體二極管的壓降,由于導(dǎo)電溝道的導(dǎo)通內(nèi)阻很小,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電流,會(huì)超過(guò)MOS管的額定電流,導(dǎo)致MOS管燒壞。若柵源電壓較小,導(dǎo)電溝道的導(dǎo)通內(nèi)阻較大時(shí),則可能出現(xiàn)導(dǎo)電溝道和體二極管同時(shí)導(dǎo)通的情況。
總結(jié)規(guī)律則為,在柵源電壓使得MOS管不導(dǎo)通時(shí),反向?qū)ɑ芈分?,MOS等效為二極管。在柵源電壓逐漸增加時(shí),MOS反向?qū)▔航抵饾u減小,導(dǎo)通內(nèi)阻逐漸減小。在柵源電壓使得MOS完全導(dǎo)通時(shí),反向?qū)ɑ芈分械腗OS可大致等效為導(dǎo)線。
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