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【转】分析场效应管工作区域详解-KIA MOS管

时间:2023-09-19 10:07:02 电源场效应中功率三极管

在了解MOS在管理三个工作区之前,先了解一下MOS三个工作区是什么?MOS管场效应管的四个区域:
一、可变电阻区(也称非饱和区)
二、恒流区(又称饱和区、放大区、有源区)
三、夹断区(也称截止区)
四、击穿区位

(1)可变电阻区(也称非饱和区)
满足Ucs》Ucs(th)(打开电压),uDs《UGs-Ucs(th),打开图中预夹轨迹左侧区域的沟道。在该区域UDs值小,沟电阻基本上只受影响UGs控制。当uGs一定时,ip与uDs形成线性关系,该区域类似于一组直线。此时,场效管D、S相当于电压UGS可变电阻控制。

(2)恒流区(又称饱和区、放大区、有源区)
满足Ucs≥Ucs(h)且Ubs≥UcsUssth),在图中预夹断轨迹右侧但尚未突破的区域,当uGs一定时,ib几乎不随UDs而变化,呈恒流特性。i仅受UGs此时控制场效应管D、S相当于电压uGs控制电流源。放大电路时,场效应管通常在该区域工作,因此也称为放大区域。

(3)夹断区(也称截止区)
满足夹断区(也称截止区)ucs《Ues(th)图中靠近横轴的区域,其沟道全部夹断,称为全夹断,io=管道不工作。

(4)击穿区位
击穿区位于图中右侧。UDs不断增加,pn因承受过大的反向电压而击穿,ip急剧增加。工作时应避免管道在击穿区工作。

从输出特性曲线中可以找到转移特性曲线。上图的方法。例如,在下图中(a)中作Ubs=6V的垂直线,将其与各条曲线的交点对应的i、Us值在ib- Uss 如图所示,坐标中连成曲线,即获得转移曲线(b)所示。
在这里插入图片描述
(a)输出特性 (b)转移特性
MOS电场和电流分布在管道区、完全导通区

MOSFET如图1所示,漏极导通性具有工作特性MOS管道三个工作区:截止区、线性区和完全导通区。线性区又称恒流区、饱和区、放大区;完全导通区又称可变电阻区。

MOSFET漏极导通特性

通常MOSFET在开关状态下工作,在截止区域和完全导通区域之间进行高频切换,因为在切换过程中必须通过线性区域,从而导致开关损对于热插座、负载开关和分离LDO调整管等应用,MOSFET长时间或一直在线工作,所以工作状态不同。

功率MOSFET大电流可以流过完全导通区和线性区。理论上,功率MOSFET是单极装置,N沟道的功率MOSFET,只有电子电流,没有空穴电流,但这只是完全导通的时候;在线区域,电子和空穴电流仍然存在,如图2、图3和图4所示。当完全导通区域和线性区域工作时,电势、空穴和电流线分布图。

MOS当管道在线区域工作时,当设备同时承受高电压和高电流时,会出现以下问题:

1.内部电场大,注入更多空穴。
有效的沟宽小于完全导通时。
3、改变Vth并降低击穿电压。
4、Vth低电流更容易局部集中,形成热点;负温度系数进一步恶化局部热点。

功率MOSFET工作在线性区时,器件承受高的电压,耗尽层高压偏置导致有效的体电荷减小;工作电压越高,内部的电场越高,电离加强产生更多电子-空穴对,形成较大的空穴电流。特别是如果工艺不一致,局部区域达到临界电场,会产生非常强的电离和更大的空穴电流,增加寄生三极管导通的风险。

MOS管道夹断区和饱和区有什么区别?
栅极电压可产生沟,也可使沟消失夹断;而源-漏电压也可能使MOSFET如果通道断裂(局部断裂),通道断裂的电压对应两个电压。通常,产生或断裂通道的栅极电压称为阈值电压VT,通常称为饱和电压Vsat,由于此时源漏电流最大,并饱和(即与源漏电压无关)。

(1) 耗尽型n-MOSFET:
耗尽型MOSFET当栅极电压为0时,就会有一条沟。当负栅电压升高到使沟夹(整个沟均匀夹)时,此时的栅电压称为夹电压Vp——耗尽型MOSFET的阈值电压。

在VGS>Vp时,IDS=0,即截止状态。

在VGS

(2)增强型n-MOSFET:
增强型MOSFET当栅极电压为0时,没有通道。当正栅电压升高到通道时,特别称为开启电压Vop——增强型MOSFET阈值电压。

在VGS

在VGS>Vop有沟,IDS≠0:若VDS如果较低,则为线性导电状态;VDS≥ (VGS-Vop)在泄漏极端附近夹紧沟道(非全沟夹紧)时,泄漏极电流达到最大并饱和,MOSFET也就是说,进入饱和状态。当沟开始断裂时,源泄漏电压为饱和电压Vsat= (VGS-Vop)。

(3)沟夹断后的导电性:
现场效应晶体管依赖于大多数载流子在通道中的导电性。无通道(当网格极电压小于阈值电压时),即无导电-截止状态。当通道(网格极电压大于阈值电压)时,可导电;当源泄漏电压增加到泄漏极端断裂后,电流达到最大饱和电流,即导电性能更好。为什么集电区导电良好?

由于沟夹区实际上是载流子耗尽的区域,沿沟方向有电场,只要载流子到达夹区边缘,就很容易扫过夹区,到达泄漏极输出电流。可见,沟夹断区与BJT类似于反偏集电结的势垒区,不仅不能阻挡载流子,而且有利于载流子的通过。因此,沟夹断后,设备输出电流饱和,即达到最大。

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