n沟道场效应管工作原理详解
n沟道增强型MOS管

（一）构造

绝缘栅型场效应管的构造表示图如图2-34所示。

（2）n沟道增强型MOS管

1)n沟道增强型MOSFET的导电沟道的构成

n沟道加强型MOSFET的沟道构成及符号如图2-35所示，其中图2-35 (a)所示是在一块杂质浓度较低的P型半导体衬底上制造两个高浓度的N型区，并分别将它们作为源极s和漏极D，然后在衬底的外表制造一层Si02绝缘层，并在上面引出一个电极作为栅极G。图2-35(b)所示是其在电路中的符号。

式中，UT为开启电压（或阈值电压）；μn为沟道电子运动的迁移率；Cox为巾位面积栅极电容；W为沟道宽度；疋为沟道长度；W/L为MOSFET的宽长比。在MOSFET集成电路设计中，宽长比是一个极为重要的参数。

（3）n沟道增强型输出特性曲线

n沟道MOS管的输出特性曲线如图2-37所示。与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、叮变电阻区、截止区和击穿区。其特性如下所示。

①截止区：UGS≤UT，导电沟道未构成，iD=0。

②恒流区：

1、曲线距离平均，UGS对iP的控制才能强；

2、UDS对iD的控制才能弱，曲线平整；

3、进入恒流区的条件，即预灾断条件为UDS≥UCS-UT。

③可变电阻区：

可变电阻区的电流方程为：

因而，可变电阻区的输出电阻rDS为

n沟道增强型MOS管的工作原理

1．vGS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）。从上图（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iD≈0。

若在栅-源极间加上正向电压，即vGS＞0，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，如上图（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，如上图（c）所示。vGS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vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT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vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。

2．vDS对iD的影响

如上图（a）所示，当vGS》VT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《vGS–VT）时，它对沟道的影响不大，这时只要vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以iD随vDS近似呈线性变化。

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，如上图（b）所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如上图（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。

n沟道场效应管开关电路

MOSFET一直是大多数N沟道场效应管开关电路电源（SMPS）选择的晶体管技术。MOSFET用作主开关晶体管，并用作门控整流器来提高效率。本设计实例对P沟道和N沟道增强型MOSFET做了比较，以便选择最适合电源应用的开关。MOSFET一直是大多数开关电源（SMPS）首选的晶体管技术。当用作门控整流器时，MOSFET是主开关晶体管且兼具提高效率的作用。为选择最适合电源应用的开关，本设计实例对P沟道和N沟道增强型MOSFET进行了比较。

对市场营销人员，MOSFET可能代表能源传递最佳方案（Most Optimal Solution for Energy Transfer）的缩写。对工程师来说，它代表金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

由于具有较低的导通电阻（RDS(on)）和较小尺寸，N沟道MOSFET在产品选择上超过了P沟道。在降压稳压器应用中，基于栅控电压极性、器件尺寸和串联电阻等多种因素，使用P沟道MOSFET或N沟道MOSFET作为主N沟道场效应管开关电路。同步整流器应用几乎总是使用N沟道技术，这主要是因为N沟道的RDS(on)小于P沟道的，并且通过在栅极上施加正电压导通。

MOSFET多数是载流子器件， N沟道MOSFET在导电过程中有电子流动。 P沟道在导电期间使用被称为空穴的正电荷。电子的流动性是空穴的三倍。尽管没有直接的相关性，就RDS(on)而言，为得到相等的值，P沟道的管芯尺寸大约是N沟道的三倍。因此N沟道的管芯尺寸更小。

N沟道场效应管开关电路N沟道MOSFET在栅-源极端子上施加适当阈值的正电压时导通；P沟道MOSFET通过施加给定的负的栅-源极电压导通。

MOSFET的栅控决定了它们在SMPS转换器中的应用。例如，N沟道MOSFET更适用于以地为参考的低侧开关，特别是用于升压、SEPIC、正向和隔离反激式转换器。在同步整流器应用以及以太网供电（PoE）输入整流器中，低侧开关也被用来代替二极管作为整流器。P沟道MOSFET最常用作输入电压低于15VDC的降压稳压器中的高侧开关。根据应用的不同，N沟道场效应管开关电路N沟道MOSFET也可用作降压稳压器高侧开关。这些应用需要自举电路或其它形式的高侧驱动器。

n沟道场效应管型号-30V

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