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常用于金氧半场效晶体管的电路符号有多种形式,最常见的设计是以一条垂直线代表沟道(Channal),两条和沟道平行的接线代表源极(Source)与漏极(Drain),左方和沟道垂直的接线代表栅极(Gate),如下图所示。有时也会将代表沟道的直线以虚线代替,以区分增强型(enhancement mode,又称增强式)金氧半场效晶体管或是耗尽型(depletion mode,又称耗尽式)金氧半场效晶体管。
由于集成电路芯片上的金氧半场效晶体管为四端组件,所以除了源极(S)、漏极(D)、栅极(G)外,尚有一基极(Bulk或是Body)。金氧半场效晶体管电路符号中,从沟道往右延伸的箭号方向则可表示此组件为n型或是p型的金氧半场效晶体管。箭头方向永远从P端指向N端,所以箭头从沟道指向基极端的为p型的金氧半场效晶体管,或简称PMOS(代表此组件的沟道为p型);反之则代表基极为p型,而沟道为n型,此组件为n型的金氧半场效晶体管,简称NMOS。在一般分散式金氧半场效晶体管组件中,通常把基极和源极接在一起,故分散式金氧半场效晶体管通常为三端组件。而在集成电路中的金氧半场效晶体管通常因为使用同一个基极(common bulk),所以不标示出基极的极性,而在PMOS的栅极端多加一个圆圈以示区别。
金氧半场效晶体管的核心
金属—氧化层—半导体结构
金氧半场效晶体管在结构上以一个金属—氧化物层—半导体的电容为核心(金氧半场效晶体管多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料),氧化层的材料多半是二氧化硅,其下是作为基极的硅,而其上则是作为栅极的多晶硅。这样的结构正好等于一个电容器(capacitor),氧化层为电容器中介电质(dielectric material),而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数(dielectric constant)来决定。栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点。
当一个电压施加在MOS电容的两端时,半导体的电荷分布也会跟着改变。考虑一个p型的半导体(电洞浓度为NA)形成的MOS电容,当一个正的电压VGB施加在栅极与基极端(如图)时,电洞的浓度会减少,电子的浓度会增加。当VGB够强时,接近栅极端的电子浓度会超过电洞。这个在p-type半导体中,电子浓度(带负电荷)超过电洞(带正电荷)浓度的区域,便是所谓的反转层(inversion layer)。
MOS电容的特性决定了金氧半场效晶体管的操作特性,但是一个完整的金氧半场效晶体管结构还需要一个提供多数载流子(majority carrier)的源极以及接受这些多数载流子的漏极。
金氧半场效晶体管的结构
如前所述,金氧半场效晶体管的核心是位于中央的MOS电容,而左右两侧则是它的源极与漏极。源极与漏极的特性必须同为n-type(即NMOS)或是同为p-type(即PMOS)。左图NMOS的源极与漏极上标示的“N ”代表着两个意义:(1)N代表掺杂(doped)在源极与漏极区域的杂质极性为N;(2)“ ”代表这个区域为高掺杂浓度区域(heavily doped region),也就是此区的电子浓度远高于其他区域。在源极与漏极之间被一个极性相反的区域隔开,也就是所谓的基极(或称基体)区域。如果是NMOS,那么其基体区的掺杂就是p-type。反之对PMOS而言,基体应该是n-type,而源极与漏极则为p-type(而且是重掺杂的P )。基体的掺杂浓度不需要如源极或漏极那么高,故在左图中没有“ ”。
对这个NMOS而言,真正用来作为沟道、让载流子通过的只有MOS电容正下方半导体的表面区域。当一个正电压施加在栅极上,带负电的电子就会被吸引至表面,形成沟道,让n-type半导体的多数载流子—电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除,或是放上一个负电压,那么沟道就无法形成,载流子也无法在源极与漏极之间移动。
假设操作的对象换成PMOS,那么源极与漏极为p-type、基体则是n-type。在PMOS的栅极上施加负电压,则半导体上的空穴会被吸引到表面形成沟道,半导体的多数载流子—空穴则可以从源极流向漏极。假设这个负电压被移除,或是加上正电压,那么沟道无法形成,一样无法让载流子在源极和漏极间移动。
特别要说明的是,源极在金氧半场效晶体管里的意思是“提供多数载流子的来源”。对NMOS而言,多数载流子是电子;对PMOS而言,多数载流子是空穴。相对的,漏极就是接受多数载流子的端点。
金氧半场效晶体管的操作模式
依照在金氧半场效晶体管的栅极、源极,与漏极等三个端点施加的“偏置”(bias)不同,一个常见的加强型(enhancement mode)n-type。 2100433B
金属氧化物半导体场效应管(英语:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),简称金氧半场效晶体管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。金属氧化物半导体场效应管依照其“沟道”极性的不同,可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型,通常被称为N型金氧半场效晶体管(NMOSFET)与P型金氧半场效晶体管(PMOSFET)。
以金氧半场效晶体管(MOSFET)的命名来看,事实上会让人得到错误的印象。因为MOSFET跟英文单字“metal(金属)”的第一个字母M,在当下大部分同类的组件里是不存在的。早期金氧半场效晶体管栅极使用金属作为材料,但随着半导体技术的进步,现代的金氧半场效晶体管栅极已用多晶硅取代了金属。
金氧半场效晶体管在概念上属于“绝缘栅极场效晶体管”(Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET)。而IGFET的栅极绝缘层,有可能是其他物质,而非金氧半场效晶体管使用的氧化层。有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管组件时比较喜欢用IGFET,但是这些IGFET多半指的是金氧半场效晶体管。
金氧半场效晶体管里的氧化层位于其沟道上方,依照其操作电压的不同,这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃(Å)不等,通常材料是二氧化硅(SiO2),不过有些新的高级制程已经可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做为氧化层之用。
今日半导体组件的材料通常以硅为首选,但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程,当中最著名的例如IBM使用硅与锗的混合物所发展的硅锗制程(SiGe process)。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料,如砷化镓(GaAs),因为无法在表面长出品质够好的氧化层,所以无法用来制造金氧半场效晶体管组件。
当一个够大的电位差施于金氧半场效晶体管的栅极与源极之间时,电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷,而这时就会形成所谓的“反转沟道”(inversion channel)。沟道的极性与其漏极(drain)与源极相同,假设漏极和源极是n型,那么沟道也会是n型。沟道形成后,金氧半场效晶体管即可让电流通过,而依据施于栅极的电压值不同,可由金氧半场效晶体管的沟道流过的电流大小亦会受其控制而改变。
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单Halo全耗尽应变Si绝缘硅金属氧化物半导体场效应管的阈值电压解析模型
为了改善金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的短沟道效应(SCE)、漏致势垒降低(DIBL)效应,提高电流的驱动能力,提出了单Halo全耗尽应变硅绝缘体(SOI)MOSFET结构,该结构结合了应变Si,峰值掺杂Halo结构,SOI三者的优点.通过求解二维泊松方程,建立了全耗尽器件表面势和阈值电压的解析模型.模型中分析了弛豫层中的Ge组分对表面势、表面场强和阈值电压的影响,不同漏电压对表面势的影响,Halo掺杂对阈值电压和DIBL的影响.结果表明,该新结构能够抑制SCE和DIBL效应,提高载流子的输运效率.
围栅金属氧化物半导体场效应管电流模型
针对深亚微米级围栅金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)处于堆积或反型时自由载流子对表面势影响显著的问题,提出了一种全耗尽圆柱形围栅MOSFET表面势和电流解析模型.考虑耗尽电荷和自由载流子的影响,采用逐次沟道近似法求解电势泊松方程,得到围栅MOSFET从堆积到耗尽,再到强反型的表面势模型,最后通过源漏两端的表面势得到了围栅器件从线性区到饱和区的连续电流模型,并利用器件数值仿真软件Sentaurus对表面势和电流模型进行了验证.研究结果表明,表面势在堆积区和强反型区分别趋于饱和,在耗尽区和弱反型区随栅压的增加而增加,同时漏压的增加将使得沟道夹断,此时表面势保持不变.增加掺杂浓度导致平带所需的负偏压变大,表面势增加.与现有的阈值电压模型相比,该模型的精确度提高了16%以上.
[据军事与航空电子学网站2018年6月4日报道] 近日,美国美高森美公司推出了一款全新的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)功率模块产品SP6LI。该产品可应用于航空航天和国防工业领域,实现电源开关模式切换和电动机控制。
该功率模块采用电感极低的封装技术,以实现大电流低特异性导通电阻(RDSon)。该封装技术专为SP6LI系列产品设计,旨在将杂散电感降低至2.9纳亨水平,以满足碳化硅金属氧化物半导体场效应管技术要求,实现大电流、高开关频率和高效率。此外,该封装技术在实现产品高功率密度要求的前提下,还使其具有更为紧凑的外形,从而满足了用户进一步缩小设备尺寸的需求。
美国美高森美公司出品的SP6LI系列产品有5个标准模块,在管壳温度80℃时,可提供从210至586安培下1200伏特到207安培下1700伏特的相桥臂拓扑结构范围。
美高森美公司推出的SP6LI功率模块可用于控制飞机驱动系统、发电系统、电动和混动汽车传动及动能回收系统中的电动机,还具有切换和管理感应加热、医疗电源和电气化列车中电源开关模式的功能。(工业和信息化部电子第一研究所 李铁成)
(Field Effect Transistor简称FET )是利用电场效应来控制半导体中电流的一种半导体器件,故因此而得名。场效应管是一种电压控制器件,只依靠一种载流子参与导电,故又称为单极型晶体管。与双极型晶体三极管相比,它具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强、功耗小、制造工艺简单和便于集成化等优点。
场效应管有两大类,结型场效应管JFET和绝缘栅型场效应管IGFET,后者性能更为优越,发展迅速,应用广泛。图Z0121 为场效应管的类型及图形、符号。
一、结构与分类
图 Z0122为N沟道结型场效应管结构示意图和它的图形、符号。它是在同一块N型硅片的两侧分别制作掺杂浓度较高的P型区(用P 表示),形成两个对称的PN结,将两个P区的引出线连在一起作为一个电极,称为栅极(g),在N型硅片两端各引出一个电极,分别称为源极(s)和漏极(d)。在形成PN结过程中,由于P 区是重掺杂区,所以N一区侧的空间电荷层宽度远大
二、工作原理
N沟道和P沟道结型场效应管的工作原理完全相同,只是偏置电压的极性和载流子的类型不同而已。下面以N沟道结型场效应管为例来分析其工作原理。电路如图Z0123所示。由于栅源间加反向电压,所以两侧PN结均处于反向偏置,栅源电流几乎为零。漏源之间加正向电压使N型半导体中的多数载流子-电子由源极出发,经过沟道到达漏极形成漏极电流ID。
1.栅源电压UGS对导电沟道的影响(设UDS=0)
在图Z0123所示电路中,UGS <0,两个PN结处于反向偏置,耗尽层有一定宽度,ID=0。若|UGS| 增大,耗尽层变宽,沟道被压缩,截面积减小,沟道电阻增大;若|UGS| 减小,耗尽层变窄,沟道变宽,电阻减小。这表明UGS控制着漏源之间的导电沟道。当UGS负值增加到某一数值VP时,两边耗尽层合拢,整个沟道被耗尽层完全夹断。(VP称为夹断电压)此时,漏源之间的电阻趋于无穷大。管子处于截止状态,ID=0。
2.漏源电压UGS对漏极电流ID的影响(设UGS=0)
当UGS=0时,显然ID=0;当UDS>0且尚小对,P N结因加反向电压,使耗尽层具有一定宽度,但宽度上下不均匀,这是由于漏源之间的导电沟道具有一定电阻,因而漏源电压UDS沿沟道递降,造成漏端电位高于源端电位,使近漏端PN结上的反向偏压大于近源端,因而近漏端耗尽层宽度大于近源端。显然,在UDS较小时,沟道呈现一定电阻,ID随UDS成线性规律变化(如图Z0124曲线OA段);若UGS再继续增大,耗尽层也随之增宽,导电沟道相应变窄,尤其是近漏端更加明显。
由于沟道电阻的增大,ID增长变慢了(如图曲线AB段),当UDS增大到等于|VP|时,沟道在近漏端首先发生耗尽层相碰的现象。这种状态称为预夹断。这时管子并不截止,因为漏源两极间的场强已足够大,完全可以把向漏极漂移的全部电子吸引过去形成漏极饱和电流IDSS (这种情况如曲线B点):当UDS>|VP|再增加时,耗尽层从近漏端开始沿沟道加长它的接触部分,形成夹断区 。
由于耗尽层的电阻比沟道电阻大得多,所以比|VP|大的那部分电压基本上降在夹断区上,使夹断区形成很强的电场,它完全可以把沟道中向漏极漂移的电子拉向漏极,形成漏极电流。因为未被夹断的沟道上的电压基本保持不变,于是向漏极方向漂移的电子也基本保持不变,管子呈恒流特性(如曲线BC段)。但是,如果再增加UDS达到BUDS时(BUDS称为击穿电压)进入夹断区的电子将被强电场加速而获得很大的动能,这些电子和夹断区内的原子碰撞发生链锁反应,产生大量的新生载流予,使ID急剧增加而出现击穿现象(如曲线CD段)。
由此可见,结型场效应管的漏极电流ID受UGS和UDS的双重控制。这种电压的控制作用,是场效应管具有放大作用的基础。
三、特性曲线
1.输出特性曲线
输出特性曲线是栅源电压UGS取不同定值时,漏极电流ID 随漏源电压UDS 变化的一簇关 系曲线,如图Z0124所示。由图可知,各条曲线有共同的变化规律。UGS越负,曲线越向下移动)这是因为对于相同的UDS,UGS越负,耗尽层越宽,导电沟道越窄,ID越小。
由图还可看出,输出特性可分为三个区域即可变电阻区、恒流区和击穿区。
◆可变电阻区:预夹断以前的区域。其特点是,当0<UDS<|VP|时,ID几乎与UDS呈线性关系增长,UGS愈负,曲线上升斜率愈小。在此区域内,场效应管等效为一个受UGS控制的可变电阻。
◆恒流区:图中两条虚线之间的部分。其特点是,当UDS>|VP|时,ID几乎不随UDS变化,保持某一恒定值。ID的大小只受UGS的控制,两者变量之间近乎成线性关系,所以该区域又称线性放大区。
◆击穿区:右侧虚线以右之区域。此区域内UDS>BUDS,管子被击穿,ID随UDS的增加而急剧增加。
2.转移特性曲线
当UDS一定时,ID与UGS之间的关系曲线称为转移特性曲线。实验表明,当UDS>|VP|后,即恒流区内,ID 受UDS影响甚小,所以转移特性通常只画一条。在工程计算中,与恒流区相对应的转移特性可以近似地用下式表示:I d=Idss(1-Ugs/Vp)(1-Ugs/Vp)
式GS0127中VP≤UGS≤0,IDSS是UGS=0时的漏极饱和电流。
图为输出特性曲线
N沟道MOS场效管的转移特性曲线
N沟道MOS场效应管的输出特性曲线
金属氧化物半导体场效晶体管(简称:金氧半场效晶体管;英语:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,缩写:MOSFET),是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。金属氧化物半导体场效应管依照其沟道极性的不同,可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型,通常被称为N型金氧半场效晶体管(NMOSFET)与P型金氧半场效晶体管(PMOSFET)。
以金氧半场效晶体管(MOSFET)的命名来看,事实上会让人得到错误的印象。因为MOSFET跟英文单字“metal(金属)”的第一个字母M,在当下大部分同类的组件里是不存在的。早期金氧半场效晶体管栅极使用金属作为材料,但由于多晶硅在制造工艺中更耐高温等特点,许多金氧半场效晶体管栅极采用后者而非前者金属。然而,随着半导体特征尺寸的不断缩小,金属作为栅极材料最近又再次得到了研究人员的关注。
金氧半场效晶体管在概念上属于绝缘栅极场效晶体管(Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET)。而绝缘栅极场效晶体管的栅极绝缘层,有可能是其他物质,而非金氧半场效晶体管使用的氧化层。有些人在提到拥有多晶硅栅极的场效晶体管组件时比较喜欢用IGFET,但是这些IGFET多半指的是金氧半场效晶体管。
金氧半场效晶体管里的氧化层位于其沟道上方,依照其工作电压的不同,这层氧化物的厚度仅有数十至数百埃(Å)不等,通常材料是二氧化硅(SiO2),不过有些新的高级工艺已经可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride, SiON)做为氧化层之用。
今日半导体组件的材料通常以硅为首选,但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的工艺,当中最著名的例如国际商业机器股份有限公司使用硅与锗的混合物所发展的硅锗工艺(SiGe process)。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料,如砷化镓(GaAs),因为无法在表面长出质量够好的氧化层,所以无法用来制造金氧半场效晶体管组件。
当一个够大的电位差施于金氧半场效晶体管的栅极与源极之间时,电场会在氧化层下方的半导体表面形成感应电荷,而这时就会形成反转沟道(inversion channel)。沟道的极性与其漏极(drain)与源极相同,假设漏极和源极是n型,那么沟道也会是n型。沟道形成后,金氧半场效晶体管即可让电流通过,而依据施于栅极的电压值不同,可由金氧半场效晶体管的沟道流过的电流大小亦会受其控制而改变。