模电·绝缘栅型场效应管_016

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绝缘栅型场效应管

N沟道增强型MOS管
- 工作原理
- 特性曲线与电流方程
N沟道耗尽型MOS管
P沟道MOS管
VMOS管

绝缘栅型场效应的栅极与源极、栅极、漏极之间均采用 $SiO\tiny 2$ 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-源间电阻比结型场效应管大得多，可达 $10^{10}$ Ω以上，还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广泛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沟道增强型管和P沟道耗尽型管。凡栅-源电压 ${\large u}{\tiny GS}$ 为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管凡栅-源电压 ${U}{\tiny GS}$ 为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。下面讨论它们的工作原理和特性。

N沟道增强型MOS管

它以一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的 $N^{+}$ 区，并引出两个电极，分别为源极s和漏极d，半导体上制作一层 $SiO\tiny 2$ 绝缘层，再在 $SiO\tiny 2$ 之上制作一层金属铝，引出电极，作为栅极g。通常将衬底与源极接在一起使用。这样，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。可见，MOS管与结型场效应管电机理与电流控制的原理均不相同。
下图所示为N沟道和P沟道增强型的符号。

工作原理

当 ${\large u}{\tiny GS}$ 增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，如下图所示。

这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压 ${U}{\tiny GS(th)}$ 。 ${\large u}{\tiny GS}$ 越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。
当 ${\large u}{\tiny GS}$ 是大于 ${U}{\tiny GS(th)}$ 的一个确定值时，若在d-s之间加正向电压，则将产生一定的漏极电流。此时， ${\large u}{\tiny DS}$ 的变化对导电沟道的影响与结型场效应管相似。即当 ${\large u}{\tiny DS}$ 较小时， ${\large u}{\tiny DS}$ 的增大时 $i{\tiny D}$ 线性增大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄，如下图所示。

一旦 ${\large u}{\tiny DS}$ 增大到使 ${\large u}{\tiny DS}={U}{\tiny GS(th)}$ (即 ${\large u}{\tiny DS}={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(th)}$ )时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断，如下图所示。

如果 ${\large u}{\tiny DS}$ 继续增大，夹断区随之延长，如下图所示。

而且 ${\large u}{\tiny DS}$ 的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。从外部看， $i\tiny D$ 几乎不因 ${\large u}{\tiny DS}$ 的增大而变化，管子进入恒流区， $i\tiny D$ 几乎仅决定于 ${\large u}{\tiny GS}$ 。
在 ${\large u}{\tiny DS}＞{\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(th)}$ 时，对应于每一个 ${\large u}{\tiny GS}$ 就有一个确定的 $i\tiny D$ 。此时，可将 $i\tiny D$ 视为电压 ${\large u}{\tiny GS}$ 控制的电流源。

特性曲线与电流方程

与结型场效应管相类似， $i\tiny D$ 与 ${\large u}{\tiny GS}$ 的近似关系为：
${i\tiny D}={I\tiny DO}(\frac {\large u\tiny GS}{U\tiny GS(th)}-1)^2$
式中 ${I\tiny DO}$ 是 ${\large u}{\tiny GS}=2{U\tiny GS(th)}$ 时的 $i\tiny D$ 。

N沟道耗尽型MOS管

如果在制造MOS管时，在 $SiO\tiny 2$ 绝缘层中掺入大量正离子，那么即使 ${\large u}{\tiny GS}=0$ ，在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层，即漏-源之间存在导电沟道。只要在漏-源间加正向电压，就会产生漏极电流，如下图所示。

并且， ${\large u}{\tiny GS}$ 为正时，反型层变宽，沟道电阻变小， $i\tiny D$ 增大，反之 ${\large u}{\tiny GS}$ 为负时，反型层变窄，沟道电阻变大， $i\tiny D$ 减小。而当 ${\large u}{\tiny GS}$ 从零减小到一定值时，反型层消失，漏-源之间导电沟道消失， ${i\tiny D}=0$ 。此时的 ${\large u}{\tiny GS}$ 称为夹断电压 ${\large u}{\tiny GS(off)}$ 。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压也为负值。但是，前者只能在 ${\large u}{\tiny GS}＜0$ 的情况下工作，而后者的 ${\large u}{\tiny GS}$ 可以在正、负值的一定范围内对 $i\tiny D$ 的控制，且仍保持栅-源间有非常大的绝缘电阻。
耗尽型MOS管的符号如下图所示。

P沟道MOS管

与N沟道MOS管相对应，P沟道增强型MOS管的开启电压 ${U}{\tiny GS(th)}＜0$ ，当 ${\large u}{\tiny GS}＜{U}{\tiny GS(th)}$ 时管子才导通，漏-源之间应加负电源电压；P沟道耗尽型MOS管的夹断电压 ${\large u}{\tiny GS(off)}＞0$ ， ${\large u}{\tiny GS}$ 可在正负值一定的范围内实现对 $i\tiny D$ 的控制，漏-源之间也应加负电压。

VMOS管

应当指出，如果MOS管的衬底不与源极相连接，则衬-源之间电压 ${U}{\tiny BS}$ 必须保证衬-源间的PN结反向偏置，因此，N沟道管的 ${U}{\tiny BS}$ 应小于零，而P沟道管的 ${U}{\tiny BS}$ 应大于零。此时导电沟道宽度将受 ${\large u}{\tiny GS}$ 和 ${U}{\tiny BS}$ 重控制， ${U}{\tiny BS}$ 使开启电压或夹断电压的数值增大。比较而言，N沟道管受 ${U}{\tiny BS}$ 的影响更大些。

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