增強(qiáng)型、耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管原理

1、增強(qiáng)型、耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管轉(zhuǎn)載 2010-08-10 14:34:21 閱讀217 評(píng)論0 字號(hào)：大中小訂閱 根據(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又分增強(qiáng)型、耗盡型。所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)VGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的VGS后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。 N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)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(dāng)VGS0 V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S

2、之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。 當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0VGSVGS(th)時(shí)，通過(guò)柵極和襯底間形成的電容電場(chǎng)作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的多子空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層；同時(shí)將吸引其中的少子向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成導(dǎo)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(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGSVGS(th)時(shí)（ VGS(th)稱為開(kāi)啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)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(shí)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(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流

3、子空穴極性相反,故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS0V時(shí)ID0，只有當(dāng)VGSVGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，所以,這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。 VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用iDf(VGS(th)|VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見(jiàn)圖1.。 轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)。跨導(dǎo)。 圖1. 轉(zhuǎn)移特性曲線 圖254（a）為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖，其電路符號(hào)如圖254（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(kuò)散工藝在襯底上擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜濃度的N

4、型區(qū)（用N+表示），并在此N型區(qū)上引出兩個(gè)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(qū)、漏區(qū)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(gè)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(chǎng)效應(yīng)管。圖254（a）中的L為溝道長(zhǎng)度，W為溝道寬度。 圖254所示的MOSFET，當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=0 時(shí),由于漏極和源極兩個(gè)N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012W的數(shù)量級(jí)，也就是說(shuō)D、S之間不具備

5、導(dǎo)電的溝道，所以無(wú)論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。 當(dāng)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UGS0時(shí),如圖255（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)。在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運(yùn)動(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運(yùn)動(dòng)，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。如果進(jìn)一步提高UGS電壓，使UGS達(dá)到某一電壓UT時(shí)，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(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如圖255（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)N+型區(qū)相連通

6、，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開(kāi)啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGSUT時(shí)才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。這就是為什么把它稱為增強(qiáng)型的緣故。 在UGSUT的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓UDS，導(dǎo)電溝道就會(huì)有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮?，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGSUDS,相應(yīng)的溝道最?。豢拷磪^(qū)一端的電壓最大，等于UGS,相應(yīng)的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道

7、呈傾斜狀。隨著UDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來(lái)越薄。 當(dāng)UDS增大到某一臨界值，使UGDUT時(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”，如圖256（a）所示。繼續(xù)增大UDS(即UDSUGSUT)，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，如圖256（b）所示。盡管夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區(qū)（源極S到夾斷點(diǎn)）的電壓降保持不變，仍等于UGSUT。因此,UDS多余部分電壓UDS(UGSUT)全部降到夾斷區(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場(chǎng)。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用，會(huì)很快的漂移到漏極。耗盡型。耗盡型是指，當(dāng)VGS=0時(shí)即形成溝道，加上正確的VGS時(shí)，能使

8、多數(shù)載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止。 耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，是在制造過(guò)程中，預(yù)先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時(shí)，這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)也能在P型襯底中“感應(yīng)”出足夠的電子，形成N型導(dǎo)電溝道。 當(dāng)UDS0時(shí)，將產(chǎn)生較大的漏極電流ID。如果使UGS0，則它將削弱正離子所形成的電場(chǎng)，使N溝道變窄，從而使ID減小。當(dāng)UGS更負(fù)，達(dá)到某一數(shù)值時(shí)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。UGSUP溝道消失，稱為耗盡型。 N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)類似，只有一點(diǎn)不同，就是N溝道耗盡型MOSFET在柵極電壓

9、uGS=0時(shí)，溝道已經(jīng)存在。該N溝道是在制造過(guò)程中應(yīng)用離子注入法預(yù)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(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖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(dāng)VGS0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)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(dāng)VGS0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID0。對(duì)應(yīng)ID0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1.（b）所示。 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線

10、圖1. N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線 由于耗盡型MOSFET在uGS=0時(shí)，漏源之間的溝道已經(jīng)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(chǎng)將使溝道中感應(yīng)更多的電子，溝道變厚，溝道的電導(dǎo)增大。 如果在柵極加負(fù)電壓（即uGS0，就會(huì)在相對(duì)應(yīng)的襯底表面感應(yīng)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(chǎn)生一個(gè)耗盡層，使溝道變窄，溝道電導(dǎo)減小。當(dāng)負(fù)柵壓增大到某一電壓Up時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)即使uDS仍存在，也不會(huì)產(chǎn)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1V10V之間N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖260（a）、（b）所示。 在可變電阻區(qū)內(nèi)，iD與uDS、uGS的關(guān)系仍為 在恒流區(qū)，