絕緣柵型場效應(yīng)管
信息來源：本站 日期：2017-04-13
在結(jié)型場效應(yīng)管中，柵極和溝道間的PN結(jié)是反向偏置的，所以輸入電阻很大。但PN結(jié)反偏時總會有一些反向電流存在，這就限制了輸入電阻的進(jìn)一步提高。如果在柵極與溝道間用一絕緣層隔開，便制成了絕緣柵型場效應(yīng)管，其輸入電阻可提高到。根據(jù)絕緣層所用材料之不同，絕緣柵場效應(yīng)管有多種類型，目前應(yīng)用最廣泛的一種是以二氧化硅（SiO2）為絕緣層的金屬一氧化物一半導(dǎo)體（Meial-Oxide-Semiconductor）場效應(yīng)管，簡稱MOS場效應(yīng)管（MOSFET）。它也有N溝道和P溝道兩類，每類按結(jié)構(gòu)不同又分為增強(qiáng)型和耗盡型。
一、耗盡型MOS管
N溝道耗盡型MOS管和N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)基本相同。差別在于耗盡型MOS管的SiO2絕緣層中摻有大量的正離子，故在UGS= 0時，就在兩個N十區(qū)之間的P型表面層中感應(yīng)出大量的電子來，形成一定寬度的導(dǎo)電溝道。這時，只要UDS＞0就會產(chǎn)生ID。對于N溝道耗盡型MOS管，無論UGS為正或負(fù)，都能控制ID的大小，并且不出現(xiàn)柵流。這是耗盡型MOS管區(qū)別于增強(qiáng)型MOS管的主要特點(diǎn)。
二、增強(qiáng)型MOS管
1．結(jié)構(gòu)與符號
圖Z0125是N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號。它是在一塊P型硅襯底上，擴(kuò)散兩個高濃度摻雜的N+區(qū)，在兩個N+區(qū)之間的硅表面上制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，然后在SiO2和兩個N型區(qū)表面上分別引出三個電極，稱為源極s、柵極g和漏極d。在其圖形符號中，箭頭表示漏極電流的實(shí)際方向。
2．輸出特性曲線
N溝道增強(qiáng)型MOS管輸出特性曲線如圖Z0127所示，它是UGS為不同定值時，ID 與UDS之間關(guān)系的一簇曲線。由圖可見，各條曲線變化規(guī)律基本相同。現(xiàn)以UGS＝5V一條曲線為例來進(jìn)行分析。設(shè)UGS＞VT，導(dǎo)電溝道已形成。當(dāng)UDS= 0時，溝道里沒有電子的定向運(yùn)動，ID=0；當(dāng)UDS＞0且較小時，溝道基本保持原狀，表現(xiàn)出一定電阻，ID隨UDS線性增大 ；當(dāng)UDS較大時，由于電阻沿溝道遞增，使UDS沿溝道的電位從漏端到源端遞降，所以沿溝道的各點(diǎn)上，柵極與溝道間的電位差沿溝道從d至s極遞增，導(dǎo)致垂直于P型硅表面的電場強(qiáng)度從d至s極也遞增，從而形成溝道寬度不均勻，漏端最窄，源端最寬如圖Z0126所示。隨著UDS的增加，漏端溝道變得更窄，電阻相應(yīng)變大，ID上升變慢 ；當(dāng)UDS繼續(xù)增大到UDS=UGS- VT時，近漏端的溝道開始消失，漏端一點(diǎn)處被夾斷；如果UDS再增加，將出現(xiàn)夾斷區(qū)。這時，UDS增加的部分基本上降在夾斷區(qū)上，使夾斷部分的耗盡層變得更厚，而未夾斷的導(dǎo)電溝道不再有多大變化，所以ID將維持剛出現(xiàn)夾斷時的數(shù)值，趨于飽和，管子呈現(xiàn)恒流特性。
對于不同的UGS值，溝道深淺也不同，UGS愈大，溝道愈深。在恒流區(qū)，對于相同的UDS 值，UGS大的ID也較大，表現(xiàn)為輸出特性曲線上移。
3．工作原理
絕緣柵場效應(yīng)管的導(dǎo)電機(jī)理是，利用UGS 控制"感應(yīng)電荷"的多少來改變導(dǎo)電溝道的寬窄，從而控制漏極電流ID。若UGS＝0時，源、漏之間不存在導(dǎo)電溝道的為增強(qiáng)型MOS管，UGS＝0 時，漏、源之間存在導(dǎo)電溝道的為耗盡型MOS管。
圖Z0125中襯底為P型半導(dǎo)體，在它的上面是一層SiO2薄膜、在SiO2薄膜上蓋一層金屬鋁，如果在金屬鋁層和半導(dǎo)體之間加電壓UGS，則金屬鋁與半導(dǎo)體之間產(chǎn)生一個垂直于半導(dǎo)體表面的電場，在這一電場作用下，P型硅表面的多數(shù)載流子-空穴受到排斥，使硅片表面產(chǎn)生一層缺乏載流子的薄層。同時在電場作用下，P型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子-電子被吸引到半導(dǎo)體的表面，并被空穴所俘獲而形成負(fù)離子，組成不可移動的空間電荷層（稱耗盡層又叫受主離子層）。UGS愈大，電場排斥硅表面層中的空穴愈多，則耗盡層愈寬，且UGS愈大，電場愈強(qiáng)；當(dāng)UGS 增大到某一柵源電壓值VT（叫臨界電壓或開啟電壓）時，則電場在排斥半導(dǎo)體表面層的多數(shù)載流子-空穴形成耗盡層之后，就會吸引少數(shù)載流子-電子，繼而在表面層內(nèi)形成電子的積累，從而使原來為空穴占多數(shù)的P型半導(dǎo)體表面形成了N型薄層。由于與P型襯底的導(dǎo)電類型相反，故稱為反型層。在反型層下才是負(fù)離子組成的耗盡層。這一N型電子層，把原來被PN結(jié)高阻層隔開的源區(qū)和漏區(qū)連接起來，形成導(dǎo)電溝道。
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