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絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

信息來源:本站 日期:2017-04-13 

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絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管

在結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管中,柵極和溝道間的PN結(jié)是反向偏置的,所以輸入電阻很大。但PN結(jié)反偏時(shí)總會(huì)有一些反向電流存在,這就限制了輸入電阻的進(jìn)一步提高。如果在柵極與溝道間用一絕緣層隔開,便制成了絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管,其輸入電阻可提高到。根據(jù)絕緣層所用材料之不同,絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管有多種類型,目前應(yīng)用最廣泛的一種是以二氧化硅(SiO2)為絕緣層的金屬一氧化物一半導(dǎo)體(Meial-Oxide-Semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)管,簡稱MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)。它也有N溝道和P溝道兩類,每類按結(jié)構(gòu)不同又分為增強(qiáng)型和耗盡型。


一、耗盡型MOS管

N溝道耗盡型MOS管和N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)基本相同。差別在于耗盡型MOS管的SiO2絕緣層中摻有大量的正離子,故在UGS= 0時(shí),就在兩個(gè)N十區(qū)之間的P型表面層中感應(yīng)出大量的電子來,形成一定寬度的導(dǎo)電溝道。這時(shí),只要UDS>0就會(huì)產(chǎn)生ID。對(duì)于N溝道耗盡型MOS管,無論UGS為正或負(fù),都能控制ID的大小,并且不出現(xiàn)柵流。這是耗盡型MOS管區(qū)別于增強(qiáng)型MOS管的主要特點(diǎn)。

二、增強(qiáng)型MOS管


1.結(jié)構(gòu)與符號(hào)

圖Z0125是N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)。它是在一塊P型硅襯底上,擴(kuò)散兩個(gè)高濃度摻雜的N+區(qū),在兩個(gè)N+區(qū)之間的硅表面上制作一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層,然后在SiO2和兩個(gè)N型區(qū)表面上分別引出三個(gè)電極,稱為源極s、柵極g和漏極d。在其圖形符號(hào)中,箭頭表示漏極電流的實(shí)際方向。

2.輸出特性曲線

N溝道增強(qiáng)型MOS管輸出特性曲線如圖Z0127所示,它是UGS為不同定值時(shí),ID 與UDS之間關(guān)系的一簇曲線。由圖可見,各條曲線變化規(guī)律基本相同。現(xiàn)以UGS=5V一條曲線為例來進(jìn)行分析。設(shè)UGS>VT,導(dǎo)電溝道已形成。當(dāng)UDS= 0時(shí),溝道里沒有電子的定向運(yùn)動(dòng),ID=0;當(dāng)UDS>0且較小時(shí),溝道基本保持原狀,表現(xiàn)出一定電阻,ID隨UDS線性增大 ;當(dāng)UDS較大時(shí),由于電阻沿溝道遞增,使UDS沿溝道的電位從漏端到源端遞降,所以沿溝道的各點(diǎn)上,柵極與溝道間的電位差沿溝道從d至s極遞增,導(dǎo)致垂直于P型硅表面的電場(chǎng)強(qiáng)度從d至s極也遞增,從而形成溝道寬度不均勻,漏端最窄,源端最寬如圖Z0126所示。隨著UDS的增加,漏端溝道變得更窄,電阻相應(yīng)變大,ID上升變慢 ;當(dāng)UDS繼續(xù)增大到UDS=UGS- VT時(shí),近漏端的溝道開始消失,漏端一點(diǎn)處被夾斷;如果UDS再增加,將出現(xiàn)夾斷區(qū)。這時(shí),UDS增加的部分基本上降在夾斷區(qū)上,使夾斷部分的耗盡層變得更厚,而未夾斷的導(dǎo)電溝道不再有多大變化,所以ID將維持剛出現(xiàn)夾斷時(shí)的數(shù)值,趨于飽和,管子呈現(xiàn)恒流特性。

對(duì)于不同的UGS值,溝道深淺也不同,UGS愈大,溝道愈深。在恒流區(qū),對(duì)于相同的UDS 值,UGS大的ID也較大,表現(xiàn)為輸出特性曲線上移。

3.工作原理

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)電機(jī)理是,利用UGS 控制"感應(yīng)電荷"的多少來改變導(dǎo)電溝道的寬窄,從而控制漏極電流ID。若UGS=0時(shí),源、漏之間不存在導(dǎo)電溝道的為增強(qiáng)型MOS管,UGS=0 時(shí),漏、源之間存在導(dǎo)電溝道的為耗盡型MOS管。

圖Z0125中襯底為P型半導(dǎo)體,在它的上面是一層SiO2薄膜、在SiO2薄膜上蓋一層金屬鋁,如果在金屬鋁層和半導(dǎo)體之間加電壓UGS,則金屬鋁與半導(dǎo)體之間產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng),在這一電場(chǎng)作用下,P型硅表面的多數(shù)載流子-空穴受到排斥,使硅片表面產(chǎn)生一層缺乏載流子的薄層。同時(shí)在電場(chǎng)作用下,P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子-電子被吸引到半導(dǎo)體的表面,并被空穴所俘獲而形成負(fù)離子,組成不可移動(dòng)的空間電荷層(稱耗盡層又叫受主離子層)。UGS愈大,電場(chǎng)排斥硅表面層中的空穴愈多,則耗盡層愈寬,且UGS愈大,電場(chǎng)愈強(qiáng);當(dāng)UGS 增大到某一柵源電壓值VT(叫臨界電壓或開啟電壓)時(shí),則電場(chǎng)在排斥半導(dǎo)體表面層的多數(shù)載流子-空穴形成耗盡層之后,就會(huì)吸引少數(shù)載流子-電子,繼而在表面層內(nèi)形成電子的積累,從而使原來為空穴占多數(shù)的P型半導(dǎo)體表面形成了N型薄層。由于與P型襯底的導(dǎo)電類型相反,故稱為反型層。在反型層下才是負(fù)離子組成的耗盡層。這一N型電子層,把原來被PN結(jié)高阻層隔開的源區(qū)和漏區(qū)連接起來,形成導(dǎo)電溝道。

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