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場效應(yīng)管種類-場效應(yīng)管N、P溝道與增強(qiáng)、耗盡型工作原理等知識(shí)詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-12-03 

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場效應(yīng)管種類
場效應(yīng)管

場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應(yīng)管。主要有兩種類型(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn),現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競爭者。

場效應(yīng)管(FET)是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件,并以此命名。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電,又稱單場極型晶體管。


場效應(yīng)管種類

場效應(yīng)管分為兩種類別:結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)和絕緣柵場效應(yīng)管(MOS管)。下文會(huì)著重介紹場效應(yīng)管種類的具體知識(shí)與區(qū)別。

場效應(yīng)管種類


結(jié)型場效應(yīng)管(JFET)
結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)與符號(hào)

結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示,在一塊N型半導(dǎo)體材料的兩邊各擴(kuò)散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的P+區(qū),就形成兩個(gè)不對稱的P+N結(jié),即耗盡層。把兩 個(gè)P+區(qū)并聯(lián)在一起,引出一個(gè)電極g,稱為柵極,在N型半導(dǎo)體的兩端各引出一個(gè)電極,分別稱為源極s和漏極d。它們分別與三極管的基極b、發(fā)射極e和集電極c相對應(yīng)。夾在兩個(gè)P+N結(jié)中間的N區(qū)是電流的通道,稱為導(dǎo)電溝道(簡稱溝道)。


這種結(jié)構(gòu)的管子稱為N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管,它在電路中用下圖所示的符號(hào)表示,柵極上的箭頭表示柵-源極間的P+N結(jié)正向偏置時(shí),柵極電流的方向(由P區(qū)指向N區(qū))。

場效應(yīng)管種類


N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理

N溝道和P溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作原理完全相同,現(xiàn)以N溝道結(jié)型場效應(yīng)管為例,分析其工作原理。N溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作時(shí),需要外加如圖1所示的偏置電壓(鼠標(biāo)單擊圖1中“結(jié)型場效應(yīng)管的工作原理”),即在柵-源極間加一負(fù)電壓(vGS<0),使柵-源極間的P+N結(jié)反偏,柵極電流iG≈0,場效應(yīng)管呈現(xiàn)很高的輸入電阻(高達(dá)108W左右)。在漏-源極間加一正電壓 (vDS>0),使N溝道中的多數(shù)載流子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運(yùn)動(dòng),形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制,同時(shí)也受漏 -源電壓vDS的影響。因此,討論場效應(yīng)管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對溝道電阻及漏極電流iD的控制作用,以及漏-源電壓vDS對漏極電流iD 的影響。

場效應(yīng)管種類


(1)柵極電壓VGS對iD的控制作用

為便于討論,先假設(shè)漏-源極間所加的電壓vDS=0。當(dāng)柵-源電壓vGS=0時(shí),溝道較寬,其電阻較小,如圖1(a)所示。當(dāng)vGS<0,且其大小增加時(shí),在這個(gè)反偏電壓的作用下,兩個(gè)P+N結(jié)耗盡層將加寬。由于N區(qū)摻雜濃度小于P+區(qū),因此,隨著|vGS| 的增加,耗盡層將主要向N溝道中擴(kuò)展,使溝道變窄,溝道電阻增大,如圖1(b)所示。當(dāng)|vGS|進(jìn)一步增大到一定值|VP| 時(shí),兩側(cè)的耗盡層將在溝道中央合攏,溝道全部被夾斷,如圖1(c)所示。


由于耗盡層中沒有載流子,因此這時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無窮大,即使加上一定的 電壓vDS,漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵-源電壓稱為夾斷電壓,用VP表示。上述分析表明,改變柵源電壓vGS的大小,可以有效地控制溝道電阻的大小。若同時(shí)在漏源-極間加上固定的正向電壓vDS,則漏極電流iD將受vGS的控制,|vGS|增大時(shí),溝道電阻增大,iD減小。上述效應(yīng)也可以看作是柵 -源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場,電場強(qiáng)度的大小控制了溝道的寬度,即控制了溝道電阻的大小,從而控制了漏極電流iD的大小。

場效應(yīng)管種類


(2)漏電電壓VDS對iD的影響

設(shè)vGS值固定,且VP隨著vDS的進(jìn)一步增加,靠近漏極一端的P+N結(jié)上承受的反向電壓增大,這里的耗盡層相應(yīng)變寬,溝道電阻相應(yīng)增加,iD隨vDS上升的速度趨緩。當(dāng)vDS增加到vDS=vGS-VP,即vGD=vGS -vDS=VP(夾斷電壓)時(shí),漏極附近的耗盡層即在A點(diǎn)處合攏,如圖2(b)所示,這種狀態(tài)稱為預(yù)夾斷。與前面講過的整個(gè)溝道全被夾斷不同,預(yù)夾斷后,漏極電流iD≠0。


因?yàn)檫@時(shí)溝道仍然存在,溝道內(nèi)的電場仍能使多數(shù)載流子(電子)作漂移運(yùn)動(dòng),并被強(qiáng)電場拉向漏極。若vDS繼續(xù)增加,使 vDS>vGS-VP,即vGD<VP時(shí),耗盡層合攏部分會(huì)有增加,即自A點(diǎn)向源極方向延伸,如圖2(c),夾斷區(qū)的電阻越來越大,但漏極電流iD卻基本 上趨于飽和,iD不隨vDS的增加而增加。因?yàn)檫@時(shí)夾斷區(qū)電阻很大,vDS的增加量主要降落在夾斷區(qū)電阻上,溝道電場強(qiáng)度增加不多,因而iD基本不變。但 當(dāng)vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后,漏極一端P+N結(jié)上反向電壓將使P+N結(jié)發(fā)生雪崩擊穿,iD會(huì)急劇增加,正常工作時(shí)vDS不能超過V(BR)DS。

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(3)從結(jié)型場效應(yīng)管正常工作時(shí)的原理可知:


① 結(jié)型場效應(yīng)管柵極與溝道之間的P+N結(jié)是反向偏置的,因此,柵極電流iG≈0,輸入阻抗很高。


② 漏極電流受柵-源電壓vGS控制,所以場效應(yīng)管是電壓控制電流器件。


③ 預(yù)夾斷前,即vDS較小時(shí),iD與vDS間基本呈線性關(guān)系;預(yù)夾斷后,iD趨于飽和。P溝道結(jié)型場效應(yīng)管工作時(shí),電源的極性與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管的電源極性相反。


絕緣柵場效應(yīng)管(MOS管)

絕緣柵場效應(yīng)管絕緣柵場效應(yīng)管的種類較多,有PMOS、NMOS和VMOS功率管等,但目前應(yīng)用最多的是MOS管。MOS絕緣柵場效應(yīng)管也即金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)管,通常用MOS表示,簡稱作MOS管。它具有比結(jié)型場效應(yīng)管更高的輸入阻抗(可達(dá)1012Ω以上),并且制造工藝比較簡單,使用靈活方便,非常有利于高度集成化。


絕緣柵場效應(yīng)管(MOS管)結(jié)構(gòu)與符號(hào)

MOS場效應(yīng)三極管分為:增強(qiáng)型(又有N溝道、P溝道之分)及耗盡型(分有N溝道、P溝道)。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見圖1。其中:電極 D(Drain) 稱為漏極,相當(dāng)雙極型三極管的集電極;


電極 G(Gate) 稱為柵極,相當(dāng)于的基極;


電極 S(Source)稱為源極,相當(dāng)于發(fā)射極。

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MOS管N溝道增強(qiáng)型與耗盡型
增強(qiáng)型MOS管

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。當(dāng)柵極加有電壓時(shí),若0<VGS<VGS(th)時(shí),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(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)VGS>VGS(th)時(shí)( VGS(th)稱為開啟電壓),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VGS=0V時(shí)ID=0,只有當(dāng)VGS>VGS(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對漏極電流的控制關(guān)系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述,稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,如下圖

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增強(qiáng)型場效應(yīng)管工作原理

N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管

N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?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(漏極D、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。P型半導(dǎo)體稱為襯底,用符號(hào)B表示。柵源電壓VGS的控制作用:當(dāng)VGS=0 V時(shí),漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。


N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖,如下圖所示。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效應(yīng)管。

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D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道,所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓,都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。

場效應(yīng)管種類


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UGS﹥0時(shí),如下圖(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。在這個(gè)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(yùn)動(dòng),電子受電場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”,如下圖(b)所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)N+型區(qū)相連通,構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)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(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(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碾娮瑁匝刂鴾系喇a(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=UGS-UDS,相應(yīng)的溝道最??;靠近源區(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)溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大,靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

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當(dāng)UDS增大到某一臨界值,使UGD≤UT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”,如下圖(a)所示。繼續(xù)增大UDS(即UDS>UGS-UT),夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng),如下圖(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UGS-UT。因此,UDS多余部分電壓[UDS-(UGS-UT)]全部降到夾斷區(qū)上,在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場。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)電場的作用,會(huì)很快的漂移到漏極.(插圖對電導(dǎo)的影響)。

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MOS管P溝道增強(qiáng)型與耗盡型

P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖,通過光刻、擴(kuò)散的方法或其他手段,在N型襯底(基片)上制作出兩個(gè)摻雜的P區(qū),分別引出電極(源極S和漏極D),同時(shí)在漏極與源極之間的SO絕緣層上制作金屬,稱為柵極G。

在正常工作時(shí),P溝道增強(qiáng)型MOS管的襯底必須與源極相連,而漏心極對源極的電壓Vds應(yīng)為負(fù)值,以保證兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)均為反偏。

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P溝道耗盡型場效應(yīng)管

耗盡型MOS場效應(yīng)管,是在制造過程中,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)UDS>0時(shí),將產(chǎn)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(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。


耗盡型場效應(yīng)管工作原理

(1)N溝道耗盡型場效應(yīng)管

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uGS=0時(shí),溝道已經(jīng)存在。該N溝道是在制造過程中應(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)VGS=0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)VGS>0時(shí),將使ID進(jìn)一步增加。VGS<0時(shí),隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓,用符號(hào)VGS(off)表示,有時(shí)也用VP表示。


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uGS<0=,就會(huì)在相對應(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–1V–10V之間N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)圖和轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖所示。

場效應(yīng)管種類

N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線


(2)P溝道耗盡型場效應(yīng)管

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過導(dǎo)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。


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