场效应管有什么用处

场效应管主要有结型场效应管(JFET)、MOS两大类,当然个人认为IGBT也可归为场效应管。

其中JFET比较冷门,但并不是说它就一无是处。JFET因其低噪声的优势,常常作为运放的输入级。比如我们常用的运放TL084就是JFET作为输入差分对的运放。当然,现在TL084的参数指标在同类运放中已经平淡无奇。

场效应管有什么用处图1

图1 TL084的原理图简图

IGBT结合了MOS和BJT的优点,但主要用于高压大电流下功率开关。比如高铁上的变流器就有IGBT整流模块。从图2和图3可以看出IGBT与功率MOS在结构上是很相似的,最大的区别在于IGBT在N型漂移区下有一层重掺杂的P型衬底作为IGBT的集电极(这是对N沟道器件而言,对P沟道器件则要反一下)。

场效应管有什么用处图2

图2 N沟道功率IGBT结构示意图

场效应管有什么用处图3

图3 N沟道功率MOS管结构示意图

接下来就重点讲MOS管了。在当前电子科技中,MOS管可谓无处不在,可以说MOSFET技术是当前半导体工业的基石,尤其是CMOS。在集成电路中,尤其是数字集成电路,如CPU、FPGA、DRAM等等,绝大多数,注意是绝大多数集成电路使用的是CMOS工艺。所谓的CMOSFET,即互补金属氧化物半导体场效应管(Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor),即芯片上既有NMOS又有PMOS晶体管的半导体工艺。我们可以看一个最简单的数字电路里的CMOS反相器

场效应管有什么用处图4

图4 CMOS反相器原理图

场效应管有什么用处图5

图5 CMOS反相器结构示意图

从图5中可以看到,PMOS是做在一个N阱中。CMOS工艺是一种平面工艺,与图2所示的功率MOS的垂直工艺是不同的。早期还有NMOS工艺,即芯片上只有NMOS,而图4中PMOS的位置只是一个电阻,这样工艺更简单。但由于电阻的存在,导致NMOS工艺功耗大,开关频率低。

当今半导体业界,如台积电、三星、intel和中芯国际等的12英寸线大部分都是CMOS工艺。MOS工艺占如此高的比例,自然有它的优势,只不过优势不在单管性能上。

1. MOS工艺简单,需要的掩膜(Mask)层数少,这样就使得成大为降低;

2. 几乎无栅极电流,功耗更小;

3. 相比Bipolar晶体管基极输入到发射极有一个的二极管,CMOS工艺栅极输入无二极管反向恢复时间的问题,开关频率可以更高;

4. 更容易驱动,显然图4中的NMOS和PMOS是不能简单地用BJT NPN和PNP三极管代替的。

在集成电路领域,遵循摩尔定律演进的半导体工艺就是CMOS工艺。那么除了上述优点,MOS管是否还有其他优点?在开关电源领域,现在除了高压高电流下的IGBT,几乎全部是用MOS管来做开关。任意选一个开关电源方案,凌特的LT8610,这是一个集成了内部开关的控制器,见图6

场效应管有什么用处图6

图6 LT8610开关电源转换器

可以看到,作为一个Bulk式开关电源,在图6中并没有看到肖特基二极管,这是因为LT8610是一个同步整流控制器,用一个MOSFET取代了肖特基二极管,以提高电源效率。

再来看它的内部框图

场效应管有什么用处图7

图7 LT8610内部框图

可以看到LT8610内部集成了两个MOS管,其中M1是Bulk开关管,而M2是同步整流管。用MOS做同步整流管是因为MOS管是单载流子器件,即在MOS管开通后,NMOS管沟道中只有电子参与导电,而PMOS沟道中只有空穴参与导电,因此对于NMOS电流既可以从漏极流到源极,也可以从源极流到漏极。其次,由于是单载流子导电器件,MOS管导通后,源漏之间没有饱和压降,只有一个几mΩ到几十mΩ的电阻,也没有二极管反向恢复时间的问题。能够取得比用肖特基二极管更低的功率消耗。

最后再补充一点:LT8610中,两个MOS都是N型的,为了使上管M1能充分驱动,需要用到自举电容(图6中SW和BST之间的100nF的电容)

场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。这种器件具有体积小、重量轻,耗电小,寿命长,输入阻抗高,导通阻抗小。噪声低,热稳定性好,制造工艺简单等优点。这使得场效应管的到广泛的使用,特别是在大规模的集成电路中广泛应用,我们常用的电子设备的IC中包含了无数的场效应管。

场效应管有什么用处图8

当然场效应管最常用的功能是作为开关和放大作用。当然开关作用应用得最为广泛,相对于三极管,场效应管的导通内阻小,损耗小,响应速度快,更受到工程师的喜爱。它常常被用于数字电路中开关可以表示0和1两种状态,场效应管导通为低,表示0,场效应管截止为高,表示1。比如用场效应管的开关作用做LED的亮灭控制、电机的正反转、蜂鸣器的控制。比如用场效管的开关作用做各种开关电源,BUCK电路(降压),Boost电路(升压)。

场效应管有什么用处图9

原创文章,作者:芒小种,如若转载,请注明出处:http://www.fhgg.net/shenghuobaike/74210.html

本文来自投稿,不代表【食趣网】立场,如若转载,请注明出处:http://www.fhgg.net/

(0)
上一篇 2023年5月1日 下午4:26
下一篇 2023年5月1日 下午4:30

相关推荐

发表回复

登录后才能评论