原创绝缘栅型场效应管

 2008-9-24 19:39  5530 8 9 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。
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，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 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-源电压为零时漏极电流为零。

　耗尽型管定义：栅-源电压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。