絕緣柵型場效應(yīng)管詳細(xì)解析

絕緣型場效應(yīng)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。金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡稱MOS晶體管。它的柵極-源極之間的電阻比結(jié)型場效應(yīng)管大得多，可達(dá)1010Ω以上，還因?yàn)樗冉Y(jié)型場效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化時溫度簡單，而廣泛應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。

與結(jié)型場效應(yīng)管相同，MOS管也有N溝道和P溝道兩類，但每一類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，因此MOS管的四種類型為：N溝道增強(qiáng)型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強(qiáng)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(qiáng)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。

N溝道增強(qiáng)型MOS管

N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖如下。它以一塊低參雜的P型硅片為襯底，利用擴(kuò)散工藝制作兩個高摻雜的N+區(qū)，并引出兩個電極，分別為源極s和漏極d，半導(dǎo)體上制作一層SiO2絕緣層，再在SiO2之上制作一層金屬鋁，引出電極，作為柵極g。通常將襯底和源極接在一起使用。這樣，柵極和襯底各相當(dāng)于一個極板，中間是絕緣層，形成電容。當(dāng)柵極和源極電壓變化時，將改變襯底靠近絕緣層處感應(yīng)電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。

工作原理：

當(dāng)柵極-源極之間不加電壓時，漏源之間是兩只背向的PN結(jié)，不存在導(dǎo)電溝道，因此即使漏源之間加電壓，也不會有漏極電流。

當(dāng)UDS=0且UGS>0時，由于SiO2絕緣層的存在，柵極電流為零。但是柵極金屬層將聚集正電荷，他們排斥P型襯底靠近SiO2絕緣層側(cè)的空穴，使之剩下不能移動的負(fù)離子區(qū)，形成耗盡層。當(dāng)UGS增大時，一方面耗盡層增寬，另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間，形成一個N層薄區(qū)，稱為反型層。這個反型層就構(gòu)成了漏極-源極之間的導(dǎo)電通道。使溝道剛剛形成的柵極-源極電壓稱為開啟電壓UGS(th)。UGS越大，反型層越寬，導(dǎo)電溝道電阻愈小。

當(dāng)UGS是大于UGS(th)的一個確定值時，若在d-s之間加正向電壓，則將產(chǎn)生一定的漏極電流。當(dāng)UDS較小時，UDS的增大使iD線性增加，溝道沿源-漏方向逐漸變窄,一旦UDS增加到使UGD=UGS(th)(即UDS=UGS-UGS(th))時，溝道在漏極一側(cè)出現(xiàn)夾斷點(diǎn)，稱為欲夾斷。如果UDS繼續(xù)增大，夾斷區(qū)隨之延長。而且UDS的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區(qū)對漏極電流的阻力。從外面看，iD幾乎不因UDS的增大而變化，管子進(jìn)入橫流區(qū)，iD幾乎僅決定于UGS。

在即UDS>UGS-UGS(th)時，對于每一個UGS就有一個確定的iD。此時，可將iD視為電壓UGS控制的電流源。

金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-SemiConductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為CMOS集成電路。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)，在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極g。在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。

圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。

N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理

(1)vGS對iD及溝道的控制作用

① vGS=0 的情況

從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時，即使加上漏——源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。

② vGS>0 的情況

若vGS>0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個電場。電場方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場。這個電場能排斥空穴而吸引電子。 排斥空穴使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子將 P型襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。

導(dǎo)電溝道的形成，當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時，漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區(qū)相連通，在漏——源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

上面討論的N溝道MOS管在vGS

vDS對iD的影響

如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一確定值時，漏——源電壓vDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS-vDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較小(vDS

隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。

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