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增強(qiáng)型、耗盡型MOS場效應(yīng)管

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日期:2017-08-28

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稱的拓?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)散兩個高摻雜的N型區(qū),從N型區(qū)引出電極,一個是漏極D,一個是源極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,漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。

當(dāng)柵極加有電壓時,若0

進(jìn)一步增加VGS,當(dāng)VGS>VGS(th)時( VGS(th)稱為開啟電壓),由于此時的柵極電壓已經(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,故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0,只有當(dāng)VGS>VGS(th)后才會出現(xiàn)漏極電流,所以,這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。

VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述,稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,見圖1.。

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


圖1. 轉(zhuǎn)移特性曲線

圖2—54(a)為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖,其電路符號如圖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)上引出兩個歐姆接觸電極,分別稱為源極(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)。從襯底引出一個歐姆接觸電極稱為襯底電極(用B表示)。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的,所以稱它為絕緣柵型場效應(yīng)管。圖2—54(a)中的L為溝道長度,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,由于漏極和源極兩個N+型區(qū)之間隔有P型襯底,相當(dāng)于兩個背靠背連接的PN結(jié),它們之間的電阻高達(dá)1012W的數(shù)量級,也就是說D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道,所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓,都不會產(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,如圖2—55(a)所示,則在柵極與襯底之間產(chǎn)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,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,稱為“反型層”,如圖2—55(b)所示。反型層將漏極D和源極S兩個N+型區(qū)相連通,構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開啟電壓,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(dǎo)通電阻越小,導(dǎo)電能力越強(qiáng)。這就是為什么把它稱為增強(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)電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū),因為溝道有一定的電阻,所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降,使溝道各點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,整個溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大,靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

當(dāng)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,把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”,如圖2—56(a)所示。繼續(xù)增大UDS(即UDS>UGS-UT),夾斷點向源極方向移動,如圖2—56(b)所示。盡管夾斷點在移動,但溝道區(qū)(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(qū)上,在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場。這時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,受夾斷區(qū)強(qiáng)電場的作用,會很快的漂移到漏極。

耗盡型。耗盡型是指,當(dāng)VGS=0時即形成溝道,加上正確的VGS時,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場效應(yīng)管,是在制造過程中,預(yù)先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子,因此,在UGS=0時,這些正離子產(chǎn)生的電場也能在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,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,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)值時溝道消失,ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓,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)類似,只有一點不同,就是N溝道耗盡型MOSFET在柵極電壓uGS=0時,溝道已經(jīng)存在。該N溝道是在制造過程中應(yīng)用離子注入法預(yù)先在襯底的表面,在D、S之間制造的,稱之為初始溝道。N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖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,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,將使ID進(jìn)一步增加。VGS<0時,隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓,用符號VGS(off)表示,有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1.(b)所示。


(a) 結(jié)構(gòu)示意圖       (b) 轉(zhuǎn)移特性曲線

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,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=,就會在相對應(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,耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個溝道,溝道完全被夾斷(耗盡),這時即使uDS仍存在,也不會產(chǎn)生漏極電流,即iD=0。UP稱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

對耗盡型場效應(yīng)管來說,式(2—84)也可表示為

式中,IDSS稱為uGS=0時的飽和漏電流,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。

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