MOS管工作原理動畫

 

絕緣型場效應管的柵極與源極、柵極和漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，因此而得名。又因柵極為金屬鋁，故又稱為MOS管。它的柵極-源極之間的電阻比結型場效應管大得多，可達1010Ω以上，還因為它比結型場效應管溫度穩定性好、集成化時溫度簡單，而廣泛應用于大規模和超大規模集成電路中。

 

 

與結型場效應管相同，MOS管工作原理動畫示意圖也有N溝道和P溝道兩類，但每一類又分為增強型和耗盡型兩種，因此MOS管的四種類型為：N溝道增強型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強型管、P溝道耗盡型管。凡柵極-源極電壓UGS為零時漏極電流也為零的管子均屬于增強型管，凡柵極-源極電壓UGS為零時漏極電流不為零的管子均屬于耗盡型管。

 

 

根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指：當VGS=0時管子是呈截止狀態，加上正確的VGS后，多數載流子被吸引到柵極，從而“增強”了該區域的載流子，形成導電溝道。

 

 

 

N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區，從N型區引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。

 

當VGS＝0 V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。

 

當柵極加有電壓時，若0＜VGS＜VGS(th)時，通過柵極和襯底間形成的電容電場作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的多子空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層；同時將吸引其中的少子向表層運動，但數量有限，不足以形成導電溝道，將漏極和源極溝通，所以仍然不足以形成漏極電流ID。

 

進一步增加VGS，當VGS＞VGS(th)時（ VGS(th)稱為開啟電壓），由于此時的柵極電壓已經比較強，在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。隨著VGS的繼續增加,ID將不斷增加。在VGS＝0V時ID＝0，只有當VGS＞VGS(th)后才會出現漏極電流，所以,這種MOS管稱為增強型MOS管。

 

VGS對漏極電流的控制關系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述，稱為轉移特性曲線，MOS管工作原理動畫見圖1.。

 

轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導。跨導。

 

圖1. 轉移特性曲線

 

MOS管工作原理動畫2—54（a）為N溝道增強型MOS管工作原理動畫圖，其電路符號如圖2—54（b）所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，利用擴散工藝在襯底上擴散兩個高摻雜濃度的N型區（用N+表示），并在此N型區上引出兩個歐姆接觸電極，分別稱為源極（用S表示）和漏極（用D表示）。在源區、漏區之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅（SiO2）絕緣層，在此絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極作為柵極（用G表示）。從襯底引出一個歐姆接觸電極稱為襯底電極（用B表示）。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以稱它為絕緣柵型場效應管。MOS管工作原理動畫圖2—54（a）中的L為溝道長度，W為溝道寬度。

 

圖2—54所示的MOSFET，當柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=0

 

時,由于漏極和源極兩個N+型區之間隔有P型襯底，相當于兩個背靠背連接的PN結，它們之間的電阻高達1012W的數量級，也就是說D、S之間不具備導電的溝道，所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會產生漏極電流ID。

 

當將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即UGS﹥0時,MOS管工作原理動畫圖2—55（a）所示，則在柵極與襯底之間產生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復合，形成了一層耗盡層。如果進一步提高UGS電壓，使UGS達到某一電壓UT時，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，MOS管工作原理動畫圖2—55（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個N+型區相連通，構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導通電阻越小，導電能力越強。這就是為什么把它稱為增強型的緣故。

 

在UGS﹥UT的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓UDS，導電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區流向源區，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區到源區逐漸減小，靠近漏區一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相應的溝道最薄；靠近源區一端的電壓最大，等于UGS,相應的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大，靠近漏區一端的溝道越來越薄。

 

 

 

 

 

當UDS增大到某一臨界值，使UGD≤UT時，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預夾斷”，MOS管工作原理動畫圖2—56（a）所示。繼續增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夾斷點向源極方向移動，MOS管工作原理動畫圖2—56（b）所示。盡管夾斷點在移動，但溝道區（源極S到夾斷點）的電壓降保持不變，仍等于UGS－UT。因此,UDS多余部分電壓[UDS－(UGS－UT)]全部降到夾斷區上，在夾斷區內形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區，當電子到達夾斷區邊緣時，受夾斷區強電場的作用，會很快的漂移到漏極。

 

耗盡型。耗盡型是指，當VGS=0時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉向截止。

 

耗盡型MOS場效應管，是在制造過程中，預先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時，這些正離子產生的電場也能在P型襯底中“感應”出足夠的電子，形成N型導電溝道。

 

當UDS>0時，將產生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。當UGS更負，達到某一數值時溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓，仍用UP表示。UGS

 

N溝道耗盡型MOSFET的結構與增強型MOSFET結構類似，只有一點不同，就是N溝道耗盡型MOSFET在柵極電壓uGS=0時，溝道已經存在。該N溝道是在制造過程中應用離子注入法預先在襯底的表面，在D、S之間制造的，稱之為初始溝道。N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如MOS管工作原理動畫1.（a）所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS＝0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當VGS＞0時，將使ID進一步增加。VGS＜0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對應ID＝0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線如圖1.（b）所示。

 

圖1. N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線

 

由于耗盡型MOSFET在uGS=0時，漏源之間的溝道已經存在，所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向柵壓uGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應更多的電子，溝道變厚，溝道的電導增大。

 

如果在柵極加負電壓（即uGS＜0＝，就會在相對應的襯底表面感應出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產生一個耗盡層，使溝道變窄，溝道電導減小。當負柵壓增大到某一電壓Up時，耗盡區擴展到整個溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時即使uDS仍存在，也不會產生漏極電流，即iD=0。UP稱為夾斷電壓或閾值電壓，其值通常在–1V–10V之間N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線和轉移特性曲線分別如圖2—60（a）、（b）所示。

 

在可變電阻區內，iD與uDS、uGS的關系仍為

 

 

在恒流區，iD與uGS的關系仍滿足式（2—81），即

 

 

若考慮uDS的影響，iD可近似為

 

 

對耗盡型場效應管來說，式（2—84）也可表示為

 

 

 

式中，IDSS稱為uGS=0時的飽和漏電流，其值為

 

 

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。

 

 

3 主要參數

 

(1) 直流參數

 

指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS(off) 、增強型MOS管開啟電壓UGS(th)、耗盡型場效應三極管的飽和漏極電流IDSS(UGS=0時所對應的漏極電流)、輸入電阻RGS.

 

(2) 低頻跨導gm

 

gm可以在轉移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

 

(3) 最大漏極電流IDM