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mos管工作原理通俗易懂-看圖文 學(xué)MOS管工作原理等知識(shí)-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2020-02-26 

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mos管工作原理通俗易懂-看圖文 學(xué)MOS管工作原理等知識(shí)

mos管工作原理通俗易懂

本文介紹的mos管工作原理通俗易懂,希望對(duì)大家有所幫助。絕緣型場(chǎng)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(chēng)為MOS管。它的柵極-源極之間的電阻比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管大得多,可達(dá)1010Ω以上,還因?yàn)樗冉Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化時(shí)溫度簡(jiǎn)單,而廣泛應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。


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與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同,MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)示意圖也有N溝道和P溝道兩類(lèi),但每一類(lèi)又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種,因此MOS管的四種類(lèi)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(shí)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(shí)漏極電流不為零的管子均屬于耗盡型管。


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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。


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mos管工作原理通俗易懂,N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱(chēng)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)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。


當(dāng)柵極加有電壓時(shí),若0<VGS<VGS(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)VGS>VGS(th)時(shí)( VGS(th)稱(chēng)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)體的載流子空穴極性相反,故稱(chēng)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(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。


VGS對(duì)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(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線,MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)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(chēng)為跨導(dǎo)??鐚?dǎo)。


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mos管工作原理通俗易懂,MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)2—54(a)為N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖,其電路符號(hào)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(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(chēng)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(chēng)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(chēng)它為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—54(a)中的L為溝道長(zhǎng)度,W為溝道寬度。


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mos管工作原理通俗易懂,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UGS﹥0時(shí),MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—55(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(chēng)為“反型層”,MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—55(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(kāi)始形成導(dǎo)電溝道所需的UGS值稱(chēng)為閾值電壓或開(kāi)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(chēng)為增強(qiáng)型的緣故。


mos管工作原理通俗易懂,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?,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=UGS-UDS,相應(yīng)的溝道最薄;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(lái)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(chēng)為溝道“預(yù)夾斷”,MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—56(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),MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—56(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(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。


mos管工作原理通俗易懂,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(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(chēng)為夾斷電壓,仍用UP表示。UGSN溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)類(lèi)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(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(chēng)之為初始溝道。N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)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(duì)應(yīng)ID=0的VGS稱(chēng)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。


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mos管工作原理通俗易懂,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uGS<0=,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(chēng)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(zhuǎn)移特性曲線分別如圖2—60(a)、(b)所示。


在可變電阻區(qū)內(nèi),iD與uDS、uGS的關(guān)系仍為


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在恒流區(qū),iD與uGS的關(guān)系仍滿足式(2—81),即


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若考慮uDS的影響,iD可近似為


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對(duì)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)說(shuō),式(2—84)也可表示為


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式中,IDSS稱(chēng)為uGS=0時(shí)的飽和漏電流,其值為


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mos管工作原理通俗易懂,P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過(guò)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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