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MOS管 增强型 耗尽型-增强型和耗尽型工作原理及作用详解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2018-06-28 

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Mos管增強型和耗盡型

增强型場效應管

所谓增强型是指:当VGS=0时管子是呈截止状态,加上正确的VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。当栅极加有电压时,若0<VGS<VGS(th)时,通过栅极和衬底间形成的电容电场作用,将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层;同时将吸引其中的少子向表层运动,但数量有限,不足以形成导电沟道,将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流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管称为增強型MOS管。VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const这一曲线描述,称为转移特性曲线,如下图

MOS 增强型 耗尽型




增强型場效應管工作原理

(1)N沟道增强型場效應管

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(漏极D、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。P型半导体称为衬底,用符号B表示。栅源电压VGS的控制作用: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。


N沟道增强型MOSFET的结构示意图,如下图所示。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底,利用扩散工艺在衬底上扩散两个高掺杂浓度的N型区(用N+表示),并在此N型区上引出两个欧姆接触电极,分别称为源极(用S表示)和漏极(用D表示)。在源区、漏区之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,在此绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极作为栅极(用G表示)。从衬底引出一个欧姆接触电极称为衬底电极(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。


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。

MOS 增强型 耗尽型


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,如下圖(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”,如下圖(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 增强型 耗尽型


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”,如下圖(a)所示。繼續增大UDS(即UDS>UGS-UT),夾斷點向源極方向移動,如下圖(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.(插圖對電導的影響)、


MOS 增强型 耗尽型


(2)P沟道增强型場效應管


P溝道增強型MOS管的結構示意圖,通過光刻、擴散的方法或其他手段,在N型襯底(基片)上制作出兩個摻雜的P區,分別引出電極(源極S和漏極D),同時在漏極與源極之間的SO絕緣層上制作金屬,稱爲柵極G。

在正常工作時,P溝道增強型MOS管的襯底必須與源極相連,而漏心極對源極的電壓Vds應爲負值,以保證兩個P區與襯底之間的PN結均爲反偏。

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耗尽型場效應管

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。当UDS>0时,将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0,则它将削弱正离子所形成的电场,使N沟道变窄,从而使ID减小。当UGS更负,达到某一数值时沟道消失,ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压,仍用UP表示。UGS


耗尽型場效應管工作原理

(1)N沟道耗尽型場效應管

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沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图1.(a)所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当VGS>0时,将使ID进一步增加。VGS<0时,随着VGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压,用符号VGS(off)表示,有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线 (插图)


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的結構圖和轉移特性曲線分別如圖所示。

MOS 增强型 耗尽型


(2)P沟道耗尽型場效應管

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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