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MOS管工作动画原理图详解及MOS管结构图文解析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-05-27 

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MOS管,MOS管工作原理

MOS管

場效應管(FET),把输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET的增益等于它的跨导, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。市面上常有的一般为N沟道和P沟道,而P沟道常见的为低压mos管。


一個電場在一個絕緣層上來影響流過晶體管的電流。事實上沒有電流流過這個絕緣體,所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化矽來作爲GATE極下的絕緣體。


这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管,或,金属氧化物半导体場效應管(MOSFET)。因为MOS管更小更省电,所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。


mos管工作原理動畫詳解

绝缘型場效應管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为MOS管。它的栅极-源极之间的电阻比结型場效應管大得多,可达1010Ω以上,还因为它比结型場效應管温度稳定性好、集成化时温度简单,而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。


MOS管,MOS管工作原理


与结型場效應管相同,MOS管工作原理动画示意图也有N沟道和P沟道两类,但每一类又分为增强型和耗尽型两种,因此MOS管的四种类型为:N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管,凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。


MOS管,MOS管工作原理


根據導電方式的不同,MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指:當VGS=0時管子是呈截止狀態,加上正確的VGS後,多數載流子被吸引到柵極,從而“增強”了該區域的載流子,形成導電溝道。


MOS管,MOS管工作原理


N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极,一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。

当VGS= 0 V时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。


當柵極加有電壓時,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型半導體中的多子空穴向下方排斥,出現了一薄層負離子的耗盡層;同時將吸引其中的少子向表層運動,但數量有限,不足以形成導電溝道,將漏極和源極溝通,所以仍然不足以形成漏極電流ID。


进一步增加VGS,当VGS>VGS(th)时( VGS(th)称为开启电压),由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0,只有当VGS>VGS(th)后才会出现漏极电流,所以,这种MOS管称为增强型MOS管。


VGS對漏極電流的控制關系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述,稱爲轉移特性曲線,MOS管工作原理動畫見圖1.。转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm的量纲为mA/V,所以gm也称为跨导。


MOS管,MOS管工作原理

图1. 转移特性曲线


MOS管工作原理動畫2—54(a)爲N溝道增強型MOS管工作原理動畫圖,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型矽片作爲襯底,利用擴散工藝在襯底上擴散兩個高摻雜濃度的N型區(用N+表示),並在此N型區上引出兩個歐姆接觸電極,分別稱爲源極(用S表示)和漏極(用D表示)。


在源區、漏區之間的襯底表面覆蓋一層二氧化矽(SiO2)絕緣層,在此絕緣層上沈積出金屬鋁層並引出電極作爲柵極(用G表示)。從襯底引出一個歐姆接觸電極稱爲襯底電極(用B表示)。


由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的,所以称它为绝缘栅型場效應管。MOS管工作原理动画图2—54(a)中的L为沟道长度,W为沟道宽度。


MOS管,MOS管工作原理

圖2-54


圖2—54所示的MOSFET,當柵極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+型區之間隔有P型襯底,相當于兩個背靠背連接的PN結,它們之間的電阻高達1012W的數量級,也就是說D、S之間不具備導電的溝道,所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓,都不會産生漏極電流ID。


當將襯底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,MOS管工作原理動畫圖2—55(a)所示,則在柵極與襯底之間産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動,電子受電場的吸引向襯底表面運動,與襯底表面的空穴複合,形成了一層耗盡層。


如果進一步提高UGS電壓,使UGS達到某一電壓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,由量變到質變,使表面層變成了自由電子爲多子的N型層,稱爲“反型層”,MOS管工作原理動畫圖2—55(b)所示。


反型層將漏極D和源極S兩個N+型區相連通,構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的UGS值稱爲阈值電壓或開啓電壓,用UT表示。顯然,只有UGS﹥UT時才有溝道,而且UGS越大,溝道越厚,溝道的導通電阻越小,導電能力越強。這就是爲什麽把它稱爲增強型的緣故。


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,導電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區流向源區,因爲溝道有一定的電阻,所以沿著溝道産生電壓降,使溝道各點的電位沿溝道由漏區到源區逐漸減小,靠近漏區一端的電壓UGD最小,其值爲UGD=UGS-UDS,相應的溝道最薄;


靠近源區一端的電壓最大,等于UGS,相應的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的,整個溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大,靠近漏區一端的溝道越來越薄。


MOS管,MOS管工作原理

圖2-55


當UDS增大到某一臨界值,使UGD≤UT時,漏端的溝道消失,只剩下耗盡層,把這種情況稱爲溝道“預夾斷”,MOS管工作原理動畫圖2—56(a)所示。繼續增大UDS(即UDS>UGS-UT),夾斷點向源極方向移動,MOS管工作原理動畫圖2—56(b)所示。盡管夾斷點在移動,但溝道區(源極S到夾斷點)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)]全部降到夾斷區上,在夾斷區內形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區,當電子到達夾斷區邊緣時,受夾斷區強電場的作用,會很快的漂移到漏極。


耗盡型,耗盡型是指,當VGS=0時即形成溝道,加上正確的VGS時,能使多數載流子流出溝道,因而“耗盡”了載流子,使管子轉向截止。


耗尽型MOS場效應管,是在制造过程中,预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子,因此,在UGS=0时,这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子,形成N型导电沟道。


當UDS>0時,將産生較大的漏極電流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UGS更負,達到某一數值時溝道消失,ID=0。使ID=0的UGS我們也稱爲夾斷電壓,仍用UP表示。


UGS N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似,只有一点不同,就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0时,沟道已经存在。该N沟道是在制造过程中应用离子注入法预先在衬底的表面,在D、S之间制造的,称之为初始沟道。


N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如MOS管工作原理動畫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VGS=0時,這些正離子已經感應出反型層,形成了溝道。于是,只要有漏源電壓,就有漏極電流存在。當VGS>0時,將使ID進一步增加。


VGS<0時,隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應ID=0的VGS稱爲夾斷電壓,用符號VGS(off)表示,有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線如圖1(b)所示。


MOS管,MOS管工作原理

图2-56 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线


由于耗盡型MOSFET在uGS=0時,漏源之間的溝道已經存在,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更多的電子,溝道變厚,溝道的電導增大。


如果在柵極加負電壓(即uGS<0=,就會在相對應的襯底表面感應出正電荷,這些正電荷抵消N溝道中的電子,從而在襯底表面産生一個耗盡層,使溝道變窄,溝道電導減小。當負柵壓增大到某一電壓Up時,耗盡區擴展到整個溝道,溝道完全被夾斷(耗盡),這時即使uDS仍存在,也不會産生漏極電流,即iD=0。UP稱爲夾斷電壓或阈值電壓,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移特性曲線分別如圖2—60(a)、(b)所示。


在可變電阻區內,iD與uDS、uGS的關系仍爲


MOS管,MOS管工作原理


在恒流區,iD與uGS的關系仍滿足式(2—81),即


MOS管,MOS管工作原理


若考慮uDS的影響,iD可近似爲


MOS管,MOS管工作原理


对耗尽型場效應管来说,式(2—84)也可表示为


MOS管,MOS管工作原理


式中,IDSS稱爲uGS=0時的飽和漏電流,其值爲


MOS管,MOS管工作原理


P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過導電的載流子不同,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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