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1、P通道为空穴流,N通道为电子流,所以场效应三极管也称为单极性三极管。FET乃是利用输入电压(Vgs)来控制输出电流(Id)的大小。所以场效应三极管是属于电压控制元件。它有两种类型,一是结型(接面型场效应管)(JFET),一是金氧半场效应三极管,简称MOSFET,MOSFET又可分为增强型与耗尽型两种。 N沟道,P沟道结型场效应管的D、S是由N(或P)中间是栅极夹持的通道,这个通道大小是受电压控制的,当然就有电流随栅极电压变化而变。可以看成栅极是控制电流阀门。 增强型是指:当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。耗尽
2、型则是指,当VGS=0时即形成沟道,加上正确的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。栅极电压高低决定电场的变化,进而影响载流子的多少,引起通过S、D电流变化。 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。主板上的PWM(Plus Width Modulator,脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度可调的脉冲波形,这样可以使两只MOS管轮流导通。当负载两端的电压(如CPU需要的电压)要降低时,这时MOS管的开关作用开始生效,外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高
3、时,通过MOS管的开关作用,外部电源供电断开,电感释放出刚才充入的能量,这时的电感就变成了“电源”,当栅-源电压vGS=0时,即使加上漏-源电压vDS,而且不论vDS的极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,漏-源极间没有导电沟道。MOS管 MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即金属氧化物半导体型场效应管,属于场效应晶体管中的绝缘栅型。因此,MOS管有时被称为场效应管。在一般电子电路中,MOS管通常被用于放大电路或开关电路。而在主板上的电源稳压电路中,MOSFET扮演的角色主要是判断电位,它在主板
4、上常用“Q”加数字表示。 一、MOS管的作用是什么? 目前主板或显卡上所采用的MOS管并不是太多,一般有10个左右,主要原因是大部分MOS管被整合到IC芯片中去了。由于MOS管主要是为配件提供稳定的电压,所以它一般使用在CPU、AGP插槽和内存插槽附近。其中在CPU与AGP插槽附近各安排一组MOS管,而内存插槽则共用了一组MOS管,MOS管一般是以两个组成一组的形式出现主板上的。 二、MOS管的性能参数有哪些? 优质的MOS管能够承受的电流峰值更高。一般情况下我们要判断主板上MOS管的质量高低,可以看它能承受的最大电流值。影响MOS管质量高低的参数非常多,像极端电流、极端电压等。但在MOS管上
5、无法标注这么多参数,所以在MOS管表面一般只标注了产品的型号,我们可以根据该型号上网查找具体的性能参数。 还要说明的是,温度也是MOS管一个非常重要的性能参数。主要包括环境温度、管壳温度、贮成温度等。由于CPU频率的提高,MOS管需要承受的电流也随着增强,提供近百A的电流已经很常见了。如此巨大的电流通过时产生的热量当然使MOS管“发烧”了。为了MOS管的安全,高品质主板也开始为MOS管加装散热片了。 电感与MOS管是如何合作的? 通过上面的介绍,我们知道MOS管对于整个供电系统起着稳压的作用,但是MOS管不能单独使用,它必须和电感线圈、电容等共同组成的滤波稳压电路,才能发挥充分它的优势。 主板
6、上的PWM(Plus Width Modulator,脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度可调的脉冲波形,这样可以使两只MOS管轮流导通。当负载两端的电压(如CPU需要的电压)要降低时,这时MOS管的开关作用开始生效,外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时,通过MOS管的开关作用,外部电源供电断开,电感释放出刚才充入的能量,这时的电感就变成了“电源”,继续对负载供电。随着电感上存储能量的不断消耗,负载两端的电压又开始逐渐降低,外部电源通过MOS管的开关作用又要充电。这样循环不断地进行充电和放电的过程,从而形成一种稳定的电压,永远使负载两端的电压不会升高也不会降低。N沟道
7、金属-氧化物-半导体场效应管(MOS管)的结构及工作原理结型场效应管的输入电阻虽然可达106109W,但在要求输入电阻更高的场合,还是不能满足要求。而且,由于它的输入电阻是PN结的反偏电阻,在高温条件下工作时,PN结反向电流增大,反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应管不同,金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)的栅极与半导体之间隔有二氧化硅(SiO2)绝缘介质,使栅极处于绝缘状态(故又称绝缘栅场效应管),因而它的输入电阻可高达1015W。它的另一个优点是制造工艺简单,适于制造大规模及超大规模集成电路。MOS管也有N沟道和P沟道之分,而且每一类又分为增强型和耗尽型两种,二者的区别是增强型M
8、OS管在栅-源电压vGS=0时,漏-源极之间没有导电沟道存在,即使加上电压vDS(在一定的数值范围内),也没有漏极电流产生(iD=0)。而耗尽型MOS管在vGS=0时,漏-源极间就有导电沟道存在。一、N沟道增强型场效应管结构a) N沟道增强型MOS管结构示意图(b) N沟道增强型MOS管代表符号 (c) P沟道增强型MOS管代表符号在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上,用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。另外在衬底上也引出一个电极B,这
9、就构成了一个N沟道增强型MOS管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。图 1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反,如图 1(c)所示。二、N沟道增强型场效应管工作原理1vGS对iD及沟道的控制作用MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。从图1(a)可以看出,增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压vGS=0时,即使加上漏-源电压vDS,而且不论vDS的极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,漏-源极间没有导电沟道,所以这时漏极电流iD0。若在
10、栅-源极间加上正向电压,即vGS0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场,这个电场能排斥空穴而吸引电子,因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层,同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当vGS数值较小,吸引电子的能力不强时,漏-源极之间仍无导电沟道出现,如图1(b)所示。vGS增加时,吸引到P衬底表面层的电子就增多,当vGS达到某一数值时,这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层,且与两个N+区相连通,在漏-源极间形成N型导电沟道,其导电类型与P衬底相反,故又称为反型层,如图1(c)所示。v
11、GS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压,用VT表示。由上述分析可知,N沟道增强型MOS管在vGSVT时,不能形成导电沟道,管子处于截止状态。只有当vGSVT时,才有沟道形成,此时在漏-源极间加上正向电压vDS,才有漏极电流产生。而且vGS增大时,沟道变厚,沟道电阻减小,iD增大。这种必须在vGSVT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。2vDS对iD的影响图1如图2(a)所示,当vGSVT且为一确定值时,漏-源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD沿
12、沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,这里沟道最厚,而漏极一端电压最小,其值为vGD=vGS - vDS,因而这里沟道最薄。但当vDS较小(vDS随着vDS的增大,靠近漏极的沟道越来越薄,当vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断,如图2(b)所示。再继续增大vDS,夹断点将向源极方向移动,如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区,故iD几乎不随vDS增大而增加,管子进入饱和区,iD几乎仅由vGS决定。三、特性曲线、电流方程及参数1特性曲线和电流方程图1N沟道增强型MOS管的输出特性
13、曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变化,即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vDS大于某一数值(vDSvGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线,与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD与vGS的近似关系式为 ( vGSVT )式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。2. 参数MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同,只是增强型MOS管中不用夹断电压VP,而用开启电压VT表征管子的特性。