MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)

 

絕緣型場(chǎng)效應(yīng)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(chēng)為MOS管。它的柵極-源極之間的電阻比結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管大得多，可達(dá)1010Ω以上，還因?yàn)樗冉Y(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溫度穩(wěn)定性好、集成化時(shí)溫度簡(jiǎn)單，而廣泛應(yīng)用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。

 

 

與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)示意圖也有N溝道和P溝道兩類(lèi)，但每一類(lèi)又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，因此MOS管的四種類(lèi)型為：N溝道增強(qiáng)型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強(qiáng)型管、P溝道耗盡型管。凡柵極-源極電壓UGS為零時(shí)漏極電流也為零的管子均屬于增強(qiáng)型管，凡柵極-源極電壓UGS為零時(shí)漏極電流不為零的管子均屬于耗盡型管。

 

 

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(shí)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(duì)稱(chēng)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(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)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(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。

 

當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過(guò)柵極和襯底間形成的電容電場(chǎng)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(shí)將吸引其中的少子向表層運(yùn)動(dòng)，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(shí)（ VGS(th)稱(chēng)為開(kāi)啟電壓），由于此時(shí)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(shí)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(chēng)為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS＝0V時(shí)ID＝0，只有當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，所以,這種MOS管稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。

 

VGS對(duì)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(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)見(jiàn)圖1.。

 

轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm的量綱為mA/V，所以gm也稱(chēng)為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)。

 

圖1. 轉(zhuǎn)移特性曲線

 

MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)2—54（a）為N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖，其電路符號(hào)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(gè)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(gè)歐姆接觸電極，分別稱(chēng)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(gè)歐姆接觸電極稱(chēng)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(chēng)它為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—54（a）中的L為溝道長(zhǎng)度，W為溝道寬度。

 

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(shí),由于漏極和源極兩個(gè)N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)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(jí)，也就是說(shuō)D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無(wú)論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。

 

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(shí),MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—55（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)。在這個(gè)電場(chǎng)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(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(chēng)為“反型層”，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—55（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)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(kāi)始形成導(dǎo)電溝道所需的UGS值稱(chēng)為閾值電壓或開(kāi)啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時(shí)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(chēng)為增強(qiáng)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(dǎo)電溝道就會(huì)有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮?，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相應(yīng)的溝道最薄；靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于UGS,相應(yīng)的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來(lái)越薄。

 

 

 

 

 

當(dāng)UDS增大到某一臨界值，使UGD≤UT時(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱(chēng)為溝道“預(yù)夾斷”，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—56（a）所示。繼續(xù)增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—56（b）所示。盡管夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區(qū)（源極S到夾斷點(diǎn)）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(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場(chǎng)。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用，會(huì)很快的漂移到漏極。

 

耗盡型。耗盡型是指，當(dāng)VGS=0時(shí)即形成溝道，加上正確的VGS時(shí)，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(chǎng)效應(yīng)管，是在制造過(guò)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(shí)，這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)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(shí)，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(chǎng)，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(shí)溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱(chēng)為夾斷電壓，仍用UP表示。UGS

 

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOSFET結(jié)構(gòu)類(lèi)似，只有一點(diǎn)不同，就是N溝道耗盡型MOSFET在柵極電壓uGS=0時(shí)，溝道已經(jīng)存在。該N溝道是在制造過(guò)程中應(yīng)用離子注入法預(yù)先在襯底的表面，在D、S之間制造的，稱(chēng)之為初始溝道。N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)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(dāng)VGS＝0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)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(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對(duì)應(yīng)ID＝0的VGS稱(chēng)為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1.（b）所示。

 

圖1. N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線

 

由于耗盡型MOSFET在uGS=0時(shí)，漏源之間的溝道已經(jīng)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(chǎng)將使溝道中感應(yīng)更多的電子，溝道變厚，溝道的電導(dǎo)增大。

 

如果在柵極加負(fù)電壓（即uGS＜0＝，就會(huì)在相對(duì)應(yīng)的襯底表面感應(yīng)出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產(chǎn)生一個(gè)耗盡層，使溝道變窄，溝道電導(dǎo)減小。當(dāng)負(fù)柵壓增大到某一電壓Up時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)即使uDS仍存在，也不會(huì)產(chǎn)生漏極電流，即iD=0。UP稱(chēng)為夾斷電壓或閾值電壓，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(zhuǎn)移特性曲線分別如圖2—60（a）、（b）所示。

 

在可變電阻區(qū)內(nèi)，iD與uDS、uGS的關(guān)系仍為

 

 

在恒流區(qū)，iD與uGS的關(guān)系仍滿足式（2—81），即

 

 

若考慮uDS的影響，iD可近似為

 

 

對(duì)耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)說(shuō)，式（2—84）也可表示為

 

 

 

式中，IDSS稱(chēng)為uGS=0時(shí)的飽和漏電流，其值為

 

 

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)導(dǎo)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。

 

 

3 主要參數(shù)

 

(1) 直流參數(shù)

 

指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS(off) 、增強(qiáng)型MOS管開(kāi)啟電壓UGS(th)、耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管的飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流)、輸入電阻RGS.

 

(2) 低頻跨導(dǎo)gm

 

gm可以在轉(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門(mén)子)。

 

(3) 最大漏極電流IDM