絕緣型場效應管的柵極與源極、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,故又稱為MOS管。金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor)結構的晶體管簡稱MOS晶體管。它的柵極-源極之間的電阻比結型場效應管大得多,可達1010Ω以上,還因為它比結型場效應管溫度穩定性好、集成化時溫度簡單,而廣泛應用于大規模和超大規模集成電路中。
與結型場效應管相同,MOS管也有N溝道和P溝道兩類,但每一類又分為增強型和耗盡型兩種,因此MOS管的四種類型為:N溝道增強型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強型管、P溝道耗盡型管。凡柵極-源極電壓UGS為零時漏極電流也為零的管子均屬于增強型管,凡柵極-源極電壓UGS為零時漏極電流不為零的管子均屬于耗盡型管。
N溝道增強型MOS管
N溝道增強型MOS管的結構示意圖如下。它以一塊低參雜的P型硅片為襯底,利用擴散工藝制作兩個高摻雜的N+區,并引出兩個電極,分別為源極s和漏極d,半導體上制作一層SiO2絕緣層,再在SiO2之上制作一層金屬鋁,引出電極,作為柵極g。通常將襯底和源極接在一起使用。這樣,柵極和襯底各相當于一個極板,中間是絕緣層,形成電容。當柵極和源極電壓變化時,將改變襯底靠近絕緣層處感應電荷的多少,從而控制漏極電流的大小。
工作原理:
當柵極-源極之間不加電壓時,漏源之間是兩只背向的PN結,不存在導電溝道,因此即使漏源之間加電壓,也不會有漏極電流。
當UDS=0且UGS>0時,由于SiO2絕緣層的存在,柵極電流為零。但是柵極金屬層將聚集正電荷,他們排斥P型襯底靠近SiO2絕緣層側的空穴,使之剩下不能移動的負離子區,形成耗盡層。當UGS增大時,一方面耗盡層增寬,另一方面將襯底的自由電子吸引到耗盡層與絕緣層之間,形成一個N層薄區,稱為反型層。這個反型層就構成了漏極-源極之間的導電通道。使溝道剛剛形成的柵極-源極電壓稱為開啟電壓UGS(th)。UGS越大,反型層越寬,導電溝道電阻愈小。
當UGS是大于UGS(th)的一個確定值時,若在d-s之間加正向電壓,則將產生一定的漏極電流。當UDS較小時,UDS的增大使iD線性增加,溝道沿源-漏方向逐漸變窄,一旦UDS增加到使UGD=UGS(th)(即UDS=UGS-UGS(th))時,溝道在漏極一側出現夾斷點,稱為欲夾斷。如果UDS繼續增大,夾斷區隨之延長。而且UDS的增大部分幾乎全部用于克服夾斷區對漏極電流的阻力。從外面看,iD幾乎不因UDS的增大而變化,管子進入橫流區,iD幾乎僅決定于UGS。
在即UDS>UGS-UGS(th)時,對于每一個UGS就有一個確定的iD。此時,可將iD視為電壓UGS控制的電流源。
下面是網上資料的講解,感覺比書上更透徹。
金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-SemiConductor)結構的晶體管簡稱MOS晶體管,有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路,而PMOS管和NMOS管共同構成的互補型MOS集成電路即為CMOS集成電路。
N溝道增強型MOS管的結構,在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上,制作兩個高摻雜濃度的N+區,并用金屬鋁引出兩個電極,分別作漏極d和源極s。然后在半導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上一個鋁電極,作為柵極g。在襯底上也引出一個電極B,這就構成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。
圖(a)、(b)分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反,如圖(c)所示。
N溝道增強型MOS管的工作原理
(1)vGS對iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情況
從圖1(a)可以看出,增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結。當柵——源電壓vGS=0時,即使加上漏——源電壓vDS,而且不論vDS的極性如何,總有一個PN結處于反偏狀態,漏——源極間沒有導電溝道,所以這時漏極電流iD≈0。
② vGS>0 的情況
若vGS>0,則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個電場。電場方向垂直于半導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。 排斥空穴使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥,剩下不能移動的受主離子(負離子),形成耗盡層。吸引電子將 P型襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。
導電溝道的形成,當vGS數值較小,吸引電子的能力不強時,漏——源極之間仍無導電溝道出現,如圖1(b)所示。vGS增加時,吸引到P襯底表面層的電子就增多,當vGS達到某一數值時,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+區相連通,在漏——源極間形成N型導電溝道,其導電類型與P襯底相反,故又稱為反型層,如圖1(c)所示。vGS越大,作用于半導體表面的電場就越強,吸引到P襯底表面的電子就越多,導電溝道越厚,溝道電阻越小。開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓,用VT表示。
上面討論的N溝道MOS管在vGS
vDS對iD的影響
如圖(a)所示,當vGS>VT且為一確定值時,漏——源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場效應管相似。漏極電流iD沿溝道產生的電壓降使溝道內各點與柵極間的電壓不再相等,靠近源極一端的電壓最大,這里溝道最厚,而漏極一端電壓最小,其值為VGD=vGS-vDS,因而這里溝道最薄。但當vDS較小(vDS
隨著vDS的增大,靠近漏極的溝道越來越薄,當vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時,溝道在漏極一端出現預夾斷,如圖2(b)所示。再繼續增大vDS,夾斷點將向源極方向移動,如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區,故iD幾乎不隨vDS增大而增加,管子進入飽和區,iD幾乎僅由vGS決定。
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