全面解(jie)析可控硅与场效应管的区(qu)别-可控硅与场效应管知识(shi)大全-KIA MOS管
信息来(lai)源:本站 日期(qi):2019-09-26
可(ke)(ke)控(kong)(kong)硅(Silicon Controlled Rectifier) 简称SCR,是一种大功(gong)(gong)率电器元件,也称晶闸管。它具有体积小、效率高、寿命长等(deng)优点。在(zai)(zai)自动(dong)(dong)控(kong)(kong)制系(xi)统(tong)中,可(ke)(ke)作(zuo)为大功(gong)(gong)率驱动(dong)(dong)器件,实现用小功(gong)(gong)率控(kong)(kong)件控(kong)(kong)制大功(gong)(gong)率设(she)备。它在(zai)(zai)交直流电机调速(su)系(xi)统(tong)、调功(gong)(gong)系(xi)统(tong)及随动(dong)(dong)系(xi)统(tong)中得(de)到了广泛的应用。
可控(kong)(kong)(kong)硅分单(dan)(dan)向(xiang)(xiang)可控(kong)(kong)(kong)硅和双(shuang)向(xiang)(xiang)可控(kong)(kong)(kong)硅两(liang)种。双(shuang)向(xiang)(xiang)可控(kong)(kong)(kong)硅也叫三端双(shuang)向(xiang)(xiang)可控(kong)(kong)(kong)硅,简称TRIAC。双(shuang)向(xiang)(xiang)可控(kong)(kong)(kong)硅在结构上相(xiang)当于两(liang)个(ge)单(dan)(dan)向(xiang)(xiang)可控(kong)(kong)(kong)硅反向(xiang)(xiang)连接,这种可控(kong)(kong)(kong)硅具有双(shuang)向(xiang)(xiang)导(dao)(dao)通功能。其(qi)通断(duan)状(zhuang)态由(you)控(kong)(kong)(kong)制极G决定。在控(kong)(kong)(kong)制极G上加正脉冲(chong)(或负脉冲(chong))可使(shi)其(qi)正向(xiang)(xiang)(或反向(xiang)(xiang))导(dao)(dao)通。这种装置的优点(dian)是控(kong)(kong)(kong)制电路简单(dan)(dan),没有反向(xiang)(xiang)耐压(ya)问题(ti),因(yin)此特别适(shi)合做交(jiao)流无(wu)触点(dian)开关(guan)使(shi)用。
场(chang)效(xiao)应(ying)晶体管(guan)(guan)(Field Effect Transistor缩(suo)写(FET))简称(cheng)场(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)。主(zhu)要(yao)有两(liang)种类型(xing):结型(xing)场(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(junction FET—JFET)和金属 - 氧化(hua)物半(ban)导体场(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(metal-oxide semiconductor FET,简称(cheng)MOS-FET)。由(you)多(duo)数(shu)载流(liu)子参(can)与导电(dian)(dian),也称(cheng)为(wei)单极(ji)型(xing)晶体管(guan)(guan)。它属于电(dian)(dian)压控制(zhi)型(xing)半(ban)导体器件。具有输入电(dian)(dian)阻(zu)高、噪声小、功耗低、动态范(fan)围大、易于集成、没(mei)有二(er)次击穿现象、安全工作区域宽(kuan)等优点,现已成为(wei)双极(ji)型(xing)晶体管(guan)(guan)和功率晶体管(guan)(guan)的(de)强大竞争(zheng)者。
场(chang)效应(ying)管(FET)是利用控(kong)制输(shu)(shu)入回路(lu)(lu)的电(dian)场(chang)效应(ying)来控(kong)制输(shu)(shu)出回路(lu)(lu)电(dian)流的一种半(ban)导(dao)体器件,并(bing)以此命(ming)名。
由(you)于它仅靠半导体(ti)中(zhong)的多数载流(liu)子导电,又称单极型晶(jing)体(ti)管。
可控硅(gui)与场效(xiao)应管(guan)的区(qu)别中结构(gou)也是大(da)不(bu)相同的,现在来看看他们在结构(gou)上的区(qu)别。
MOS场效应三(san)极管分为(wei)(wei):增(zeng)强(qiang)型(xing)(xing)(又有N沟道(dao)、P沟道(dao)之(zhi)分)及耗尽型(xing)(xing)(分有N沟道(dao)、P沟道(dao))。N沟道(dao)增(zeng)强(qiang)型(xing)(xing)MOSFET的结构示意(yi)图(tu)和符号(hao)见上图(tu)。其中:电(dian)极 D(Drain) 称(cheng)为(wei)(wei)漏极,相当双(shuang)极型(xing)(xing)三(san)极管的集电(dian)极;
电(dian)极 G(Gate) 称(cheng)为栅极,相(xiang)当于的(de)基(ji)极;
电(dian)极(ji) S(Source)称为源极(ji),相当于发射极(ji)。
N沟道增强型MOS场效应管结构
在一(yi)块掺杂(za)(za)浓度较低的(de)(de)P型硅(gui)衬底上(shang),制(zhi)作(zuo)(zuo)两(liang)个(ge)高掺杂(za)(za)浓度的(de)(de)N+区,并用金(jin)属铝引出(chu)两(liang)个(ge)电极(ji),分别作(zuo)(zuo)漏极(ji)d和源(yuan)(yuan)极(ji)s。然(ran)后在半导体表面(mian)覆盖一(yi)层很薄的(de)(de)二氧化硅(gui)(SiO2)绝(jue)缘(yuan)层,在漏——源(yuan)(yuan)极(ji)间的(de)(de)绝(jue)缘(yuan)层上(shang)再(zai)装上(shang)一(yi)个(ge)铝电极(ji),作(zuo)(zuo)为栅极(ji)g。衬底上(shang)也引出(chu)一(yi)个(ge)电极(ji)B,这就构成了(le)一(yi)个(ge)N沟道增(zeng)强(qiang)型MOS管(guan)。MOS管(guan)的(de)(de)源(yuan)(yuan)极(ji)和衬底通常是接(jie)在一(yi)起的(de)(de)(大(da)多数管(guan)子在出(chu)厂前已连接(jie)好)。它的(de)(de)栅极(ji)与其它电极(ji)间是绝(jue)缘(yuan)的(de)(de)。
图(a)、(b)分别是它的(de)结构示意图和代表符号。代表符号中的(de)箭头(tou)方向(xiang)表示由P(衬底)指向(xiang)N(沟道)。P沟道增(zeng)强型MOS管的(de)箭头(tou)方向(xiang)与上述相反,如图(c)所示。
N沟道增强型MOS场效应管的工作原理
(1)vGS对iD及沟道(dao)的控(kong)制作用(yong)
① vGS=0 的(de)情况(kuang)
从图1(a)可以(yi)看出,增(zeng)强型MOS管的漏极(ji)d和源(yuan)极(ji)s之间有(you)(you)(you)两个(ge)背(bei)靠背(bei)的PN结。当栅(zha)——源(yuan)电压(ya)vGS=0时,即使加上(shang)漏——源(yuan)电压(ya)vDS,而且不(bu)论vDS的极(ji)性(xing)如何,总(zong)有(you)(you)(you)一个(ge)PN结处于(yu)反(fan)偏状态,漏——源(yuan)极(ji)间没有(you)(you)(you)导(dao)电沟道(dao),所以(yi)这时漏极(ji)电流iD≈0。
② vGS>0 的情况
若vGS>0,则栅极和衬底(di)之间(jian)的SiO2绝缘层中便产生一个电(dian)(dian)场(chang)。电(dian)(dian)场(chang)方向(xiang)垂直(zhi)于半导体表面的由栅极指向(xiang)衬底(di)的电(dian)(dian)场(chang)。这个电(dian)(dian)场(chang)能排斥空穴(xue)而吸引电(dian)(dian)子(zi)。
排斥空穴(xue):使(shi)栅极附(fu)近的P型衬(chen)底(di)中(zhong)(zhong)的空穴(xue)被排斥,剩下不能移动(dong)的受主(zhu)离(li)(li)子(负(fu)离(li)(li)子),形成耗(hao)尽层。吸引电子:将 P型衬(chen)底(di)中(zhong)(zhong)的电子(少子)被吸引到衬(chen)底(di)表(biao)面。
(2)导电沟道的(de)形成(cheng):
当vGS数值较小(xiao),吸(xi)引(yin)(yin)电(dian)(dian)(dian)子的(de)能(neng)力(li)不强(qiang)时,漏——源(yuan)极(ji)之间仍无导(dao)电(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)出现,如图(tu)1(b)所(suo)(suo)示(shi)。vGS增(zeng)加(jia)时,吸(xi)引(yin)(yin)到(dao)(dao)(dao)P衬(chen)底表面层(ceng)的(de)电(dian)(dian)(dian)子就(jiu)增(zeng)多,当vGS达到(dao)(dao)(dao)某一数值时,这些(xie)电(dian)(dian)(dian)子在栅极(ji)附(fu)近的(de)P衬(chen)底表面便形(xing)成一个N型薄层(ceng),且与两(liang)个N+区相连(lian)通,在漏——源(yuan)极(ji)间形(xing)成N型导(dao)电(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao),其导(dao)电(dian)(dian)(dian)类型与P衬(chen)底相反(fan),故又称为反(fan)型层(ceng),如图(tu)1(c)所(suo)(suo)示(shi)。vGS越(yue)(yue)大(da),作用于半导(dao)体(ti)表面的(de)电(dian)(dian)(dian)场(chang)就(jiu)越(yue)(yue)强(qiang),吸(xi)引(yin)(yin)到(dao)(dao)(dao)P衬(chen)底表面的(de)电(dian)(dian)(dian)子就(jiu)越(yue)(yue)多,导(dao)电(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)越(yue)(yue)厚,沟(gou)道(dao)电(dian)(dian)(dian)阻越(yue)(yue)小(xiao)。
开始形(xing)成(cheng)沟道时的栅——源极电(dian)压称为(wei)开启电(dian)压,用(yong)VT表(biao)示。
上(shang)面(mian)讨(tao)论的N沟(gou)道(dao)(dao)MOS管(guan)(guan)在(zai)vGS<VT时(shi),不能(neng)形(xing)成(cheng)导电(dian)沟(gou)道(dao)(dao),管(guan)(guan)子处于截止状态。只有(you)当vGS≥VT时(shi),才有(you)沟(gou)道(dao)(dao)形(xing)成(cheng)。这种(zhong)必须在(zai)vGS≥VT时(shi)才能(neng)形(xing)成(cheng)导电(dian)沟(gou)道(dao)(dao)的MOS管(guan)(guan)称为增强(qiang)型MOS管(guan)(guan)。沟(gou)道(dao)(dao)形(xing)成(cheng)以后,在(zai)漏——源极间加上(shang)正向电(dian)压vDS,就有(you)漏极电(dian)流产(chan)生。
vDS对iD的影响
如图(a)所示(shi),当vGS>VT且为一确定值时,漏——源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)vDS对(dui)导电(dian)(dian)沟道及(ji)电(dian)(dian)流iD的影(ying)响与结型场效应管相似。
漏极电(dian)流iD沿沟(gou)(gou)道(dao)产(chan)生的(de)电(dian)压(ya)(ya)降使沟(gou)(gou)道(dao)内各点与栅极间的(de)电(dian)压(ya)(ya)不(bu)再相(xiang)等(deng),靠近(jin)源(yuan)极一端的(de)电(dian)压(ya)(ya)最(zui)大,这里(li)(li)沟(gou)(gou)道(dao)最(zui)厚(hou),而漏极一端电(dian)压(ya)(ya)最(zui)小,其值为(wei)VGD=vGS-vDS,因而这里(li)(li)沟(gou)(gou)道(dao)最(zui)薄。但当vDS较小(vDS),随(sui)着vDS的(de)增大,靠近(jin)漏(lou)极的(de)沟道越(yue)来越(yue)薄,当vDS增加(jia)到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏(lou)极一(yi)端出现预夹断,如(ru)图2(b)所(suo)示(shi)。再(zai)继续增大vDS,夹断点将向源极方(fang)向移动,如(ru)图2(c)所(suo)示(shi)。由于vDS的(de)增加(jia)部(bu)分(fen)几(ji)乎全(quan)部(bu)降落在夹断区,故iD几(ji)乎不随(sui)vDS增大而增加(jia),管子进入饱和区,iD几(ji)乎仅由vGS决定(ding)。
N沟道耗尽型MOS场效应管的基本结构
(1)结构:
N沟道耗尽型(xing)MOS管与N沟道增强型(xing)MOS管基本相似(si)。
(2)区别:
耗(hao)尽型MOS管在vGS=0时,漏——源极(ji)间已有导(dao)电沟道产生,而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导(dao)电沟道。
(3)原因:
制造N沟(gou)道(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOS管时,在SiO2绝缘层中掺入了大量的(de)碱(jian)金属正(zheng)(zheng)离子Na+或K+(制造P沟(gou)道(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOS管时掺入负(fu)离子),如(ru)图1(a)所示,因此即使(shi)vGS=0时,在这些正(zheng)(zheng)离子产生的(de)电场作用下,漏——源极间(jian)的(de)P型(xing)衬底表面也(ye)能(neng)感应生成N沟(gou)道(dao)(dao)(称为初(chu)始沟(gou)道(dao)(dao)),只要(yao)加上正(zheng)(zheng)向电压vDS,就有(you)电流iD。
如(ru)果加上(shang)正的(de)(de)vGS,栅(zha)极与(yu)N沟(gou)道间的(de)(de)电(dian)(dian)场将在(zai)沟(gou)道中吸引(yin)来(lai)更多的(de)(de)电(dian)(dian)子(zi),沟(gou)道加宽,沟(gou)道电(dian)(dian)阻变(bian)(bian)小,iD增大。反(fan)之vGS为(wei)负时(shi),沟(gou)道中感应的(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)减(jian)(jian)少,沟(gou)道变(bian)(bian)窄,沟(gou)道电(dian)(dian)阻变(bian)(bian)大,iD减(jian)(jian)小。当vGS负向增加到某(mou)一数(shu)值(zhi)(zhi)时(shi),导电(dian)(dian)沟(gou)道消失,iD趋于零(ling),管(guan)子(zi)截止,故称为(wei)耗尽(jin)型。沟(gou)道消失时(shi)的(de)(de)栅(zha)-源电(dian)(dian)压(ya)称为(wei)夹(jia)断电(dian)(dian)压(ya),仍用(yong)VP表示。与(yu)N沟(gou)道结型场效(xiao)应管(guan)相同,N沟(gou)道耗尽(jin)型MOS管(guan)的(de)(de)夹(jia)断电(dian)(dian)压(ya)VP也为(wei)负值(zhi)(zhi),但是,前者只(zhi)能在(zai)vGS<0的(de)(de)情况下工作(zuo)。而后者在(zai)vGS=0,vGS>0。
P沟道耗尽型MOSFET
P沟道(dao)MOSFET的工作原理与N沟道(dao)MOSFET完(wan)全相(xiang)同,只不(bu)过导电(dian)的载流子(zi)不(bu)同,供(gong)电(dian)电(dian)压极(ji)性不(bu)同而(er)已(yi)。这(zhei)如同双极(ji)型(xing)三极(ji)管有(you)NPN型(xing)和PNP型(xing)一样。
结构
不管(guan)可控硅(gui)(gui)的外(wai)形如何,它们的管(guan)芯都是由P型(xing)硅(gui)(gui)和N型(xing)硅(gui)(gui)组(zu)成的四层(ceng)(ceng)P1N1P2N2结构。见下图。它有(you)三个PN结(J1、J2、J3),从J1结构的P1层(ceng)(ceng)引出阳极A,从N2层(ceng)(ceng)引出阴级(ji)K,从P2层(ceng)(ceng)引出控制极G,所以它是一种(zhong)四层(ceng)(ceng)三端(duan)的半(ban)导(dao)体器件。
可(ke)控硅结构示意图(tu)和符号图(tu)
工作原理
可控硅(gui)是(shi)P1N1P2N2四层(ceng)三端结构元件(jian),共有三个PN结,分析原(yuan)理时,可以把它(ta)看(kan)作由一个PNP管和一个NPN管所组成(cheng),其(qi)等(deng)效图(tu)解如下图(tu)所示。
双向(xiang)可(ke)控(kong)(kong)硅:双向(xiang)可(ke)控(kong)(kong)硅是一(yi)种(zhong)硅可(ke)控(kong)(kong)整流器件(jian)(jian),也称作双向(xiang)晶(jing)闸管。这种(zhong)器件(jian)(jian)在电路中(zhong)能够实现交流电的无触(chu)点控(kong)(kong)制,以(yi)小电流控(kong)(kong)制大电流,具有无火花、动作快、寿命长、可(ke)靠性高以(yi)及简化(hua)电路结构等优点。
从外表上(shang)看,双向可控(kong)硅和(he)普(pu)通(tong)(tong)(tong)可控(kong)硅很相似(si),也有(you)三个电(dian)极(ji)(ji)。但是,它(ta)除了其中(zhong)一(yi)(yi)个电(dian)极(ji)(ji)G仍叫做控(kong)制极(ji)(ji)外,另外两个电(dian)极(ji)(ji)通(tong)(tong)(tong)常却不(bu)再叫做阳极(ji)(ji)和(he)阴极(ji)(ji),而统称为(wei)主电(dian)极(ji)(ji)Tl和(he)T2。它(ta)的(de)符(fu)号(hao)也和(he)普(pu)通(tong)(tong)(tong)可控(kong)硅不(bu)同,是把两个可控(kong)硅反(fan)接在(zai)一(yi)(yi)起画成(cheng)的(de),如下图2所(suo)示(shi)。
它的(de)(de)型(xing)(xing)号,在我国一(yi)般用“3CTS”或“KS”表示;国外的(de)(de)资料也有用“TRIAC”来(lai)表示的(de)(de)。双向(xiang)可(ke)控硅(gui)的(de)(de)规格、型(xing)(xing)号、外形以及电极(ji)引(yin)(yin)脚(jiao)排列依生产厂家(jia)不同而有所不同,但其电极(ji)引(yin)(yin)脚(jiao)多数是按T1、T2、G的(de)(de)顾序从左至(zhi)右排列(观察时(shi),电极(ji)引(yin)(yin)脚(jiao)向(xiang)下,面对(dui)标(biao)有字符(fu)的(de)(de)一(yi)面)。市场(chang)上最常(chang)见的(de)(de)几(ji)种塑封外形结构双向(xiang)可(ke)控硅(gui)的(de)(de)外形及电极(ji)引(yin)(yin)脚(jiao)排列如下图所示。
常用(yong)(yong)的(de)有阻(zu)容移(yi)相桥触(chu)(chu)发(fa)(fa)(fa)电(dian)路、单结晶(jing)体(ti)管(guan)触(chu)(chu)发(fa)(fa)(fa)电(dian)路、晶(jing)体(ti)三极管(guan)触(chu)(chu)发(fa)(fa)(fa)电(dian)路、利(li)用(yong)(yong)小(xiao)晶(jing)闸管(guan)触(chu)(chu)发(fa)(fa)(fa)大晶(jing)闸管(guan)的(de)触(chu)(chu)发(fa)(fa)(fa)电(dian)路,等(deng)等(deng)。
可控硅的主要参数有:
1、 额定通态平(ping)均(jun)电(dian)流(liu)IT 在一定条件下,阳极---阴极间可以连续通过的(de)50赫兹正弦半波电(dian)流(liu)的(de)平(ping)均(jun)值。
2、 正向阻断峰(feng)值电(dian)(dian)压(ya)VPF 在(zai)控制极(ji)开路未(wei)加触发信号,阳(yang)极(ji)正向电(dian)(dian)压(ya)还未(wei)超过导能电(dian)(dian)压(ya)时,可(ke)以重复加在(zai)可(ke)控硅(gui)两端的(de)正向峰(feng)值电(dian)(dian)压(ya)。可(ke)控硅(gui)承受(shou)的(de)正向电(dian)(dian)压(ya)峰(feng)值,不能超过手(shou)册给出(chu)的(de)这个参(can)数(shu)值。
3、 反向(xiang)阻(zu)断(duan)峰值电压VPR 当可控硅加(jia)反向(xiang)电压,处于(yu)反向(xiang)关(guan)断(duan)状(zhuang)态时,可以重复(fu)加(jia)在可控硅两端的(de)反向(xiang)峰值电压。使用时,不(bu)能(neng)超过(guo)手册(ce)给出的(de)这个参数值。
4、 触发(fa)电压(ya)VGT 在规定的环境温度(du)下(xia),阳极---阴极间(jian)加有(you)一定电压(ya)时(shi),可控硅从关(guan)断状(zhuang)态(tai)转为导通(tong)状(zhuang)态(tai)所需要的最小控制(zhi)极电流和电压(ya)。
5、 维持电(dian)流(liu)IH 在规定温(wen)度下,控制极(ji)断路,维持可控硅导(dao)(dao)通(tong)所(suo)必需的最小阳极(ji)正向电(dian)流(liu)。许多新型(xing)可控硅元件相继(ji)问世(shi),如适于高频应用(yong)的快速可控硅,可以(yi)(yi)用(yong)正或负(fu)(fu)的触(chu)发信号(hao)(hao)控制两个方向导(dao)(dao)通(tong)的双向可控硅,可以(yi)(yi)用(yong)正触(chu)发信号(hao)(hao)使(shi)其导(dao)(dao)通(tong),用(yong)负(fu)(fu)触(chu)发信号(hao)(hao)使(shi)其关断的可控硅等(deng)(deng)等(deng)(deng)。
(1)转(zhuan)移特性:栅极电压对(dui)漏(lou)极电流的控制作用称为转(zhuan)移特性。
(2)输出特性: UDS与ID的(de)关(guan)系称为输出特性。
(3)结型场效(xiao)(xiao)应(ying)管的(de)放大(da)作(zuo)用:结型场效(xiao)(xiao)应(ying)管的(de)放大(da)作(zuo)用一般(ban)指的(de)是电压(ya)放大(da)作(zuo)用。
1:小(xiao)功率塑封双向可控硅(gui)通常用作(zuo)声光控灯光系统。额定电流:IA小(xiao)于(yu)2A。
2:大;中(zhong)功率塑封和铁封可控硅通(tong)常(chang)用作功率型可控调压电路(lu)。像可调压输出直(zhi)流电源等等。
3:大功率高频可控硅通常(chang)用作工业(ye)中(zhong);高频熔(rong)炼炉等(deng)。
场效应(ying)管(fet)是电(dian)(dian)场效应(ying)控制电(dian)(dian)流大(da)小的单极(ji)型半导体器件。在其输入端(duan)基本不取电(dian)(dian)流或电(dian)(dian)流极(ji)小,具有输入阻抗高(gao)、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单等特点,在大(da)规模(mo)和超大(da)规模(mo)集成(cheng)电(dian)(dian)路中被应(ying)用。
场效应器(qi)件凭借(jie)其低功耗、性能(neng)稳定、抗(kang)辐射能(neng)力(li)强(qiang)等优势,在集成电路中已经(jing)有逐渐取代三极(ji)管(guan)的(de)(de)趋势。但(dan)它还是(shi)(shi)非(fei)常娇贵的(de)(de),虽然多(duo)数(shu)已经(jing)内置了保护二极(ji)管(guan),但(dan)稍不(bu)注(zhu)意,也会损坏(huai)。所以在应用(yong)中还是(shi)(shi)小心为妙。
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