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原创 绝缘栅型场效应管

2008-9-24 19:39 4081 2 3 分类: 模拟

在结型场效应管中,栅极和沟道间的PN结是反向偏置的,所以输入电阻很大。但PN结反偏时总会有一些反向电流存在,这就限制了输入电阻的进一步提高。如果在栅极与沟道间用一绝缘层隔开,便制成了绝缘栅型场效应管,其输入电阻可提高到Z0168.gif
根据绝缘层所用材料之不同,绝缘栅场效应管有多种类型,目前应用最广泛的一种是以二氧化硅(SiO2)为绝缘层的金属一氧化物一半导体(Meial-
Oxide-Semiconductor)场效应管,简称MOS场效应管(MOSFET)。它也有N沟道和P沟道两类,每类按结构不同又分为增强型和耗尽
型。


    一、增强型MOS管


    1.结构与符号


    图Z0125是N沟道增强型MOS管的结构示意图和符号。它是在一块P型硅衬底上,扩散两个高浓度掺杂的N+区,Z0151.gif在两个N+区之间的硅表面上制作一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,然后在SiO2和两个N型区表面上分别引出三个电极,称为源极s、栅极g和漏极d。在其图形符号中,箭头表示漏极电流的实际方向。


    2.工作原理


    绝缘栅场效应管的导电机理是,利用UGS 控制"感应电荷"的多少来改变导电沟道的宽窄,从而控制漏极电流ID。若UGS=0时,源、漏之间不存在导电沟道的为增强型MOS管,UGS=0 时,漏、源之间存在导电沟道的为耗尽型MOS管。


    图Z0125中衬底为P型半导体,在它的上面是一层SiO2薄膜、在SiO2薄膜上盖一层金属铝,如果在金属铝层和半导体之间加电压UGS,
则金属铝与半导体之间产生一个垂直于半导体表面的电场,在这一电场作用下,P型硅表面的多数载流子-空穴受到排斥,使硅片表面产生一层缺乏载流子的薄层。
同时在电场作用下,P型半导体中的少数载流子-电子被吸引到半导体的表面,并被空穴所俘获而形成负离子,组成不可移动的空间电荷层(称耗尽层又叫受主离子
层)。UGS愈大,电场排斥硅表面层中的空穴愈多,则耗尽层愈宽,且UGS愈大,电场愈强;当UGS 增大到某一栅源电压值VT(叫
临界电压或开启电压)时,则电场在排斥半导体表面层的多数载流子-空穴形成耗尽层之后,就会吸引少数载流子-电子,继而在表面层内形成电子的积累,从而使
原来为空穴占多数的P型半导体表面形成了N型薄层。由于与P型衬底的导电类型相反,故称为反型层。在反型层下才是负离子组成的耗尽层。这一N型电子层,把
原来被PN结高阻层隔开的源区和漏区连接起来,形成导电沟道。


用图Z0126所示Z0152.gif电路来分析栅源电压UGS控制导电沟道宽窄,改变漏极电流ID 的关系:当UGS=0时,因没有电场作用,不能形成导电沟道,这时虽然漏源间外接有ED电源,但由于漏源间被P型衬底所隔开,漏源之间存在两个PN结,因此只能流过很小的反向电流,ID ≈0;当UGS>0并逐渐增加到VT 时,反型层开始形成,漏源之间被N沟道连成一体。这时在正的漏源电压UDS作用下;N沟道内的多子(电子)产生漂移运动,从源极流向漏极,形成漏极电流ID。显然,UGS愈高,电场愈强,表面感应出的电子愈多,N型沟道愈宽沟道电阻愈小,ID愈大。


    3.输出特性曲线


    N沟道增强型MOS管输出特性曲线如图Z0127所示,它是UGS为不同定值时,ID 与UDS之间关系的一簇曲线。由图可见,各条曲线变化规律基本相同。现以UGS=5V一条Z0153.gif曲线为例来进行分析。设UGS >VT,导电沟道已形成。当UDS= 0时,沟道里没有电子的定向运动,ID=0;当UDS>0且较小时,沟道基本保持原状,表现出一定电阻,ID随UDS线性增大 ;当UDS较大时,由于电阻沿沟道递增,使UDS沿沟道的电位从漏端到源端递降,所以沿沟道的各点上,栅极与沟道间的电位差沿沟道从d至s极递增,导致垂直于P型硅表面的电场强度从d至s极也递增,从而形成沟道宽度不均匀,漏端最窄,源端最宽如图Z0126所示。随着UDS的增加,漏端沟道变得更窄,电阻相应变大,ID上升变慢 ;当UDS继续增大到UDS =UGS - VT时,近漏端的沟道开始消失,漏端一点处被夹断;如果UDS再增加,将出现夹断区。这时,UDS增加的部分基本上降在夹断区上,使夹断部分的耗尽层变得更厚,而未夹断的导电沟道不再有多大变化,所以ID将维持刚出现夹断时的数值,趋于饱和,管子呈现恒流特性。


    对于不同的UGS值,沟道深浅也不同,UGS愈大,沟道愈深。在恒流区,对于相同的UDS 值,UGS大的ID 也较大,表现为输出特性曲线上移。


    二、耗尽型MOS管


    N沟道耗尽型MOS管和N沟道增强型MOS管的结构基本相同。差别在于耗尽型MOS管的SiO2绝缘层中掺有大量的正离子,故在UGS= 0时,就在两个N十区之间的P型表面层中感应出大量的电子来,形成一定宽度的导电沟道。这时,只要UDS>0就会产生ID。


    对于N沟道耗尽型MOS管,无论UGS为正或负,都能控制ID的大小,并且不出现栅流。这是耗尽型MOS管区别于增强型MOS管的主要特点。


    对于P沟道场效应管,其工作原理,特性曲线和N沟道相类似。仅仅电源极性和电流方向不同而已。


 


 







1.4.2 绝缘栅型场效应管



  结构:栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离而得名,又称MOS管。


     特点:栅-源间输入电阻高,达1010 image002.gif 以上,温度稳定性好、集成工艺简单,广泛用于大规模和超大规模集成电路中。


     分类:增强型管(N沟道和P沟道)和耗尽型管(N沟道和P沟道)。


     增强型管定义:栅-源电压 image004.gif 为零时漏极电流为零。


     耗尽型管定义:栅-源电压 image004.gif 为零时漏极电流不为零。

  一、N沟道增强型MOS管


  N沟道增强型MOS管结构示意图和符号如下图所示。在一块掺杂浓度较低的P型硅片(衬
底)上扩散两个高掺杂的N+区,分别用金属导线引出源极S和漏极D,在两个N+区的表面覆盖一层很薄的的SIO2绝缘层,并在
SIO2绝缘层的上面制作一个金属电极,称之为栅极G。通常将衬底与源极接在一起使用。栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘层,形成电容。当栅-源电
压变化时,将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。




147.gif


  ★工作原理



  image006.gif =0, image004.gif >0时,由于SIO2的存在,栅极电流为零。栅极金属层将聚集正电荷,排斥P型衬底靠近SIO2一侧的空穴,使之剩下不能移动的负离子区,形成耗尽层,如右图(a)所示。


image004.gif 增大,一方面耗尽层加宽,另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,形成一个N型层,称为反型层,如右图(b)所示。

148.gif


这个反型层构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压 image008.gifimage004.gif 愈大,反型层愈厚,导电沟道电阻愈小。





image004.gif > image008.gif 时, image006.gif >0,将产生漏极电流。如右图所示。


image006.gif 较小, image006.gif 增大使 image010.gif 线性增大,沟道沿源-漏方向逐渐变窄。如图 (a)所示。


image006.gif 增大到使 image012.gif = image008.gif 时,沟道在漏极一侧出现夹断点,称为预夹断。如图 (b)所示。


image006.gif 继续增大,夹断区随之延长,如图 (c)所示。 image006.gif 增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。 image010.gif 不随 image006.gif 的增大而变化,管子进入恒流区, image010.gif 决定于 image004.gif

149.gif


★特性曲线与电流方程



如下图所示为N沟道增强型MOS管的转移特性曲线和输出特性曲线。


image010.gifimage004.gif 的关系为


image014.gif


image016.gifimage004.gif =2 image008.gif 时的 image010.gif




1410.gif


 





二、N沟道耗尽型MOS管



在制造MOS管时,在SIO2绝缘层中掺入大量正离子, image002.gif =0,在正离子的作用下P型衬底表层也存在反型层,即漏-源之间存在导电沟道,在漏-源之间加正向电压,就会产生漏极电流,如图所示。




点击看大图




工作原理:



image002.gif >0,反型层变宽,沟道电阻变小, image004.gif 增大;


image002.gif <0,反型层变窄,沟道电阻变大, image004.gif 减小;


image002.gif 减小到一定值时,反型层消失,漏-源之间导电沟道消失, image004.gif =0。此时的 image002.gif 称为夹断电压 image006.gif


注意:


N沟道结型场效应管的夹断电压为负值,但只能在 image002.gif <0的情况下工作;


绝缘栅型N沟道耗尽型MOS管的夹断电压也为负值,而且 image002.gif 可在正、可负值的一定范围内实现对 image004.gif 的控制。

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文章评论 1条评论)

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redandan04 2008-9-25 22:38

不错

magzza 2008-7-12 23:23

谢谢,很好的资料
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