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增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管工作原理與耗盡型MOS場效應(yīng)管—KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-09-25 

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增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管工作原理與耗盡型MOS場效應(yīng)管—KIA MOS管

絕緣柵場效應(yīng)晶體管工作原理及特性

增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管,場效應(yīng)管(MOSFET)是一種外形與普通晶體管相似,但控制特性不同的半導(dǎo)體器件。它的輸入電阻可高達(dá)1015 W,而且制造工藝簡單,適用于制造大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路。場效應(yīng)管也稱為MOS管,按其結(jié)構(gòu)不同,分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管和絕緣柵場效應(yīng)晶體管兩種類型。在本文只簡單介紹后一種場效應(yīng)晶體管。 絕緣柵場效應(yīng)晶體管按其結(jié)構(gòu)不同,分為N溝道和P溝道兩種。每種又有增強(qiáng)型和耗盡型兩類。


下面簡單介紹它們的工作原理。1、增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管。2、圖1是N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管示意圖。 在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,用光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū),并用金屬鋁引出兩個電極,稱為漏極D和源極S如圖1(a)所示。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一個鋁電極,稱為柵極G。另外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。它的柵極與其他電極間是絕緣的。圖1(b)所示是它的符號。其箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。


增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管

圖1 N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管

增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管,場效應(yīng)管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)場效應(yīng)管在出廠前已聯(lián)結(jié)好)。從圖1(a)可以看出,漏極D和源極S之間被P型存底隔開,則漏極D和源極S之間是兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓UGS=0時,即使加上漏-源電壓UDS,而且不論UDS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。 若在柵-源極間加上正向電壓,即UGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個垂直于半導(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,因而使柵極附近的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,同時P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。


當(dāng)UGS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。UGS增加時,吸引到P襯底表面層的電子就增多,當(dāng)UGS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所示。UGS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。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓,用UT表示。


增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管

圖2 N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的溝道形成圖

由上述分析可知,N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管在UGS<UT時,不能形成導(dǎo)電溝道,場效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)UGS≥UT時,才有溝道形成,此時在漏-源極間加上正向電壓UDS,才有漏極電流ID產(chǎn)生。而且UGS增大時,溝道變厚,溝道電阻減小,ID增大。這是N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管的柵極電壓控制的作用,因此,場效應(yīng)管通常也稱為壓控三極管。

增強(qiáng)型、耗盡型MOS場效應(yīng)管

增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管,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)散兩個高摻雜的N型區(qū),從N型區(qū)引出電極,一個是漏極D,一個是源極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,漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。柵極加有電壓時,若0<VGS<VGS(th)時,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;同時將吸引其中的少子向表層運(yùn)動,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( VGS(th)稱為開啟電壓),由于此時的柵極電壓已經(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ID=0,只有當(dāng)VGS>VGS(th)后才會出現(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,見圖3。轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對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)。

增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管


圖2—54(a)為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖,其電路符號如圖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。圖2—54(a)中的L為溝道長度,W為溝道寬度。

增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管

圖2—54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,由于漏極和源極兩個N+型區(qū)之間隔有P型襯底,相當(dāng)于兩個背靠背連接的PN結(jié),它們之間的電阻高達(dá)1012W的數(shù)量級,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,都不會產(chǎn)生漏極電流ID。


增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管


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,如圖2—55(a)所示,則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下,P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運(yùn)動,電子受電場的吸引向襯底表面運(yùn)動,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,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2—55(b)所示。反型層將漏極D和源極S兩個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。


耗盡型。耗盡型是指,當(dāng)VGS=0時即形成溝道,加上正確的VGS時,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,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,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。UGS<UP溝道消失,稱為耗盡型。



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