MOS 管工作原理

绝缘型场效应管的栅极与源极、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场效应管大得多,可达 1010Ω以上,还因为它比结型场效应管温度稳定性好、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。

 

 

与结型场效应管相同,MOS 管工作原理示意图也有 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。

 

 

根据导电方式的不同,MOSFET 又分增强型、耗尽型。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。

 

 

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。

 

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 管称为增强型 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,MOS 管工作原理见图 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。跨导。

 

图 1. 转移特性曲线

 

MOS 管工作原理图 2—54(a)为 N 沟道增强型 MOS 管工作原理图,其电路符号如图 2—54(b)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场效应管。MOS 管工作原理图 2—54(a)中的 L 为沟道长度,W 为沟道宽度。

 

图 2—54 所示的 MOSFET,当栅极 G 和源极 S 之间不加任何电压,即 UGS=0

 

时,由于漏极和源极两个 N+型区之间隔有 P 型衬底,相当于两个背靠背连接的 PN 结,它们之间的电阻高达 1012W 的数量级,也就是说 D、S 之间不具备导电的沟道,所以无论漏、源极之间加何种极性的电压,都不会产生漏极电流 ID。

 

当将衬底 B 与源极 S 短接,在栅极 G 和源极 S 之间加正电压,即 UGS﹥0 时,MOS 管工作原理图 2—55(a)所示,则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下,P 衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动,电子受电场的吸引向衬底表面运动,与衬底表面的空穴复合,形成了一层耗尽层。如果进一步提高 UGS 电压,使 UGS 达到某一电压 UT 时,P 衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽,而自由电子大量地被吸引到表面层,由量变到质变,使表面层变成了自由电子为多子的 N 型层,称为“反型层”,MOS 管工作原理图 2—55(b)所示。反型层将漏极 D 和源极 S 两个 N+型区相连通,构成了漏、源极之间的 N 型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的 UGS 值称为阈值电压或开启电压,用 UT 表示。显然,只有 UGS﹥UT 时才有沟道,而且 UGS 越大,沟道越厚,沟道的导通电阻越小,导电能力越强。这就是为什么把它称为增强型的缘故。

 

在 UGS﹥UT 的条件下,如果在漏极 D 和源极 S 之间加上正电压 UDS,导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区,因为沟道有一定的电阻,所以沿着沟道产生电压降,使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小,靠近漏区一端的电压 UGD 最小,其值为 UGD=UGS-UDS,相应的沟道最薄;靠近源区一端的电压最大,等于 UGS,相应的沟道最厚。这样就使得沟道厚度不再是均匀的,整个沟道呈倾斜状。随着 UDS 的增大,靠近漏区一端的沟道越来越薄。

 

 

 

当 UDS 增大到某一临界值,使 UGD≤UT 时,漏端的沟道消失,只剩下耗尽层,把这种情况称为沟道“预夹断”,MOS 管工作原理图 2—56(a)所示。继续增大 UDS(即 UDS>UGS-UT),夹断点向源极方向移动,MOS 管工作原理图 2—56(b)所示。尽管夹断点在移动,但沟道区(源极 S 到夹断点)的电压降保持不变,仍等于 UGS-UT。因此,UDS 多余部分电压[UDS-(UGS-UT)]全部降到夹断区上,在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区,当电子到达夹断区边缘时,受夹断区强电场的作用,会很快的漂移到漏极。

 

耗尽型。耗尽型是指,当 VGS=0 时即形成沟道,加上正确的 VGS 时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。

 

耗尽型 MOS 场效应管,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

 

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 沟道耗尽型 MOSFET 的结构和符号如 MOS 管工作原理 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 的转移特性曲线如图 1.(b)所示。

 

图 1. N 沟道耗尽型 MOSFET 的结构和转移特性曲线

 

由于耗尽型 MOSFET 在 uGS=0 时,漏源之间的沟道已经存在,所以只要加上 uDS,就有 iD 流通。如果增加正向栅压 uGS,栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子,沟道变厚,沟道的电导增大。

 

如果在栅极加负电压(即 uGS<0=,就会在相对应的衬底表面感应出正电荷,这些正电荷抵消 N 沟道中的电子,从而在衬底表面产生一个耗尽层,使沟道变窄,沟道电导减小。当负栅压增大到某一电压 Up 时,耗尽区扩展到整个沟道,沟道完全被夹断(耗尽),这时即使 uDS 仍存在,也不会产生漏极电流,即 iD=0。UP 称为夹断电压或阈值电压,其值通常在–1V–10V 之间 N 沟道耗尽型 MOSFET 的输出特性曲线和转移特性曲线分别如图 2—60(a)、(b)所示。

 

在可变电阻区内,iD 与 uDS、uGS 的关系仍为

 

 

在恒流区,iD 与 uGS 的关系仍满足式(2—81),即

 

 

若考虑 uDS 的影响,iD 可近似为

 

 

对耗尽型场效应管来说,式(2—84)也可表示为

 

 

式中,IDSS 称为 uGS=0 时的饱和漏电流,其值为

 

 

P 沟道 MOSFET 的工作原理与 N 沟道 MOSFET 完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有 NPN 型和 PNP 型一样。

 

 

3 主要参数

(1) 直流参数

指耗尽型 MOS 夹断电压 UGS=UGS(off) 、增强型 MOS 管开启电压 UGS(th)、耗尽型场效应三极管的饱和漏极电流 IDSS(UGS=0 时所对应的漏极电流)、输入电阻 RGS.

 

(2) 低频跨导 gm

gm 可以在转移特性曲线上求取,单位是 mS(毫西门子)。

 

(3) 最大漏极电流 IDM