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mos场效应管

MOS场(chang)(chang)效应管(guan)(guan)即金属-氧(yang)化物-半(ban)导(dao)体型(xing)场(chang)(chang)效应管(guan)(guan)，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor，即金属氧(yang)化物合(he)成半(ban)导(dao)体的(de)场(chang)(chang)效应晶体管(guan)(guan)），属于绝缘栅型(xing)。特(te)点：金属栅极与沟道(dao)之间有一(yi)层(ceng)二氧(yang)化硅(gui)绝缘层(ceng)，因此(ci)具有很高的(de)输(shu)入电阻（最(zui)高可达1015Ω）。它也分N沟道(dao)管(guan)(guan)和(he)P沟道(dao)管(guan)(guan)。通常是将衬(chen)底(di)（基(ji)板）与源(yuan)极S接在一(yi)起。

MOS场效应管的基本结构和工作原理详解

N沟道MOS管结构示意图和符号

MOS场效应(ying)三极管(guan)分为(wei)：增强型（又有N沟道(dao)(dao)、P沟道(dao)(dao)之分）及耗(hao)尽型（分有N沟道(dao)(dao)、P沟道(dao)(dao)）。N沟道(dao)(dao)增强型MOSFET的(de)结构示意图和符号(hao)见上图。其中：电极 D（Drain） 称为(wei)漏极，相当双极型三极管(guan)的(de)集电极；

电极(ji) G（Gate） 称为栅极(ji)，相当于(yu)的基极(ji)；

电极 S（Source）称(cheng)为(wei)源极，相当于(yu)发射(she)极。

N沟道增强型MOS场效应管结构

在一块(kuai)掺(chan)(chan)杂浓度(du)较低的P型(xing)硅衬底(di)(di)上，制作(zuo)两个(ge)高掺(chan)(chan)杂浓度(du)的N+区(qu)，并用金属铝(lv)引出两个(ge)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)，分别(bie)作(zuo)漏(lou)极(ji)(ji)(ji)d和(he)源极(ji)(ji)(ji)s。然后在半导体表(biao)面覆(fu)盖一层(ceng)很薄的二氧(yang)化(hua)硅(SiO2)绝(jue)(jue)缘(yuan)层(ceng)，在漏(lou)——源极(ji)(ji)(ji)间的绝(jue)(jue)缘(yuan)层(ceng)上再(zai)装(zhuang)上一个(ge)铝(lv)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji),作(zuo)为栅极(ji)(ji)(ji)g。衬底(di)(di)上也引出一个(ge)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)B，这就构成了一个(ge)N沟道增强型(xing)MOS管(guan)。MOS管(guan)的源极(ji)(ji)(ji)和(he)衬底(di)(di)通常是接在一起(qi)的(大多(duo)数管(guan)子(zi)在出厂前(qian)已连接好(hao))。它(ta)的栅极(ji)(ji)(ji)与其它(ta)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)间是绝(jue)(jue)缘(yuan)的。

图(a)、(b)分别是(shi)它的(de)结构示(shi)意(yi)图和代(dai)表符号(hao)。代(dai)表符号(hao)中的(de)箭头方(fang)向(xiang)表示(shi)由(you)P(衬底)指向(xiang)N(沟道(dao))。P沟道(dao)增强型MOS管的(de)箭头方(fang)向(xiang)与上述相反，如图(c)所(suo)示(shi)。

N沟道增强型MOS场效应管的工作原理

（1）vGS对iD及(ji)沟道(dao)的控制作用

① vGS=0 的情况

从图1(a)可以(yi)看(kan)出，增强型MOS管的(de)(de)漏(lou)极d和源(yuan)极s之(zhi)间(jian)有(you)两个(ge)背靠背的(de)(de)PN结。当栅(zha)——源(yuan)电(dian)压vGS=0时，即使加上漏(lou)——源(yuan)电(dian)压vDS，而(er)且不论vDS的(de)(de)极性如何，总有(you)一个(ge)PN结处于反偏状态，漏(lou)——源(yuan)极间(jian)没(mei)有(you)导电(dian)沟道，所以(yi)这时漏(lou)极电(dian)流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅(zha)极(ji)和衬底(di)之间(jian)的SiO2绝缘层中便产生一(yi)个电(dian)场。电(dian)场方向垂直于半导体(ti)表面的由栅(zha)极(ji)指向衬底(di)的电(dian)场。这个电(dian)场能排斥空(kong)穴而吸引(yin)电(dian)子。

排斥空(kong)穴：使栅极(ji)附近(jin)的(de)P型(xing)衬(chen)底中(zhong)的(de)空(kong)穴被排斥，剩下不能移动的(de)受(shou)主离子(zi)(负离子(zi))，形(xing)成耗(hao)尽层(ceng)。吸(xi)引电子(zi)：将 P型(xing)衬(chen)底中(zhong)的(de)电子(zi)（少子(zi)）被吸(xi)引到(dao)衬(chen)底表(biao)面。

（2）导电(dian)沟道的形成：

当vGS数值较小，吸引电(dian)(dian)(dian)子(zi)的(de)能力不强时，漏——源(yuan)极之(zhi)间仍无导(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)沟道出现，如(ru)图(tu)1(b)所(suo)示。vGS增加时，吸引到(dao)P衬(chen)底(di)(di)表面层的(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)就(jiu)(jiu)增多，当vGS达(da)到(dao)某(mou)一数值时，这些电(dian)(dian)(dian)子(zi)在栅极附近的(de)P衬(chen)底(di)(di)表面便形成一个(ge)N型(xing)薄层，且与(yu)两个(ge)N+区相(xiang)连通，在漏——源(yuan)极间形成N型(xing)导(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)沟道，其导(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)类型(xing)与(yu)P衬(chen)底(di)(di)相(xiang)反，故又称(cheng)为反型(xing)层，如(ru)图(tu)1(c)所(suo)示。vGS越(yue)(yue)(yue)大，作用于半(ban)导(dao)(dao)(dao)(dao)体(ti)表面的(de)电(dian)(dian)(dian)场就(jiu)(jiu)越(yue)(yue)(yue)强，吸引到(dao)P衬(chen)底(di)(di)表面的(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)就(jiu)(jiu)越(yue)(yue)(yue)多，导(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)沟道越(yue)(yue)(yue)厚，沟道电(dian)(dian)(dian)阻越(yue)(yue)(yue)小。

开(kai)(kai)始形成沟道时的(de)栅——源极电压(ya)称为开(kai)(kai)启电压(ya)，用VT表示。

上面(mian)讨论的N沟(gou)道(dao)MOS管(guan)在(zai)vGS＜VT时(shi)，不(bu)能形(xing)(xing)成导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)，管(guan)子(zi)处于截止(zhi)状态。只(zhi)有当vGS≥VT时(shi)，才(cai)有沟(gou)道(dao)形(xing)(xing)成。这种(zhong)必须(xu)在(zai)vGS≥VT时(shi)才(cai)能形(xing)(xing)成导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)的MOS管(guan)称为增强型MOS管(guan)。沟(gou)道(dao)形(xing)(xing)成以后，在(zai)漏——源极间加上正向电(dian)(dian)压vDS，就有漏极电(dian)(dian)流产生。

vDS对iD的影响

如图(tu)(a)所示，当vGS>VT且为一(yi)确(que)定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影(ying)响(xiang)与结(jie)型场效应管(guan)相似。

漏极电(dian)流(liu)iD沿(yan)沟(gou)道(dao)(dao)产生的电(dian)压(ya)(ya)(ya)降(jiang)使沟(gou)道(dao)(dao)内(nei)各点与栅极间的电(dian)压(ya)(ya)(ya)不(bu)再相(xiang)等，靠近源极一(yi)(yi)端的电(dian)压(ya)(ya)(ya)最(zui)大，这里(li)沟(gou)道(dao)(dao)最(zui)厚(hou)，而(er)(er)漏极一(yi)(yi)端电(dian)压(ya)(ya)(ya)最(zui)小，其值为VGD=vGS－vDS，因(yin)而(er)(er)这里(li)沟(gou)道(dao)(dao)最(zui)薄。但(dan)当vDS较小（vDS

随(sui)着vDS的(de)增(zeng)大，靠近漏(lou)极(ji)的(de)沟道越(yue)(yue)来越(yue)(yue)薄，当vDS增(zeng)加(jia)到使(shi)VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时(shi)，沟道在漏(lou)极(ji)一(yi)端出现预夹断(duan)，如图2(b)所示(shi)(shi)。再(zai)继续(xu)增(zeng)大vDS，夹断(duan)点将向源(yuan)极(ji)方向移动，如图2(c)所示(shi)(shi)。由于vDS的(de)增(zeng)加(jia)部分几(ji)乎全(quan)部降落在夹断(duan)区，故iD几(ji)乎不随(sui)vDS增(zeng)大而增(zeng)加(jia)，管子(zi)进入饱和区，iD几(ji)乎仅由vGS决(jue)定。

N沟道耗尽型MOS场效应管的基本结构

（1）结构：

N沟道耗尽型(xing)MOS管与N沟道增强(qiang)型(xing)MOS管基本(ben)相似。

（2）区别：

耗尽(jin)型(xing)MOS管(guan)在(zai)vGS=0时，漏——源极间已有导(dao)电沟道(dao)产(chan)生，而增强型(xing)MOS管(guan)要(yao)在(zai)vGS≥VT时才出现(xian)导(dao)电沟道(dao)。

（3）原因(yin)：

制造N沟(gou)道(dao)(dao)耗尽(jin)型(xing)MOS管(guan)时，在SiO2绝缘层中掺(chan)入(ru)了大(da)量(liang)的(de)碱(jian)金(jin)属(shu)正离(li)子Na+或(huo)K+(制造P沟(gou)道(dao)(dao)耗尽(jin)型(xing)MOS管(guan)时掺(chan)入(ru)负离(li)子)，如(ru)图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离(li)子产生的(de)电(dian)(dian)场作用下(xia)，漏——源极间(jian)的(de)P型(xing)衬(chen)底表面也能(neng)感(gan)应生成(cheng)N沟(gou)道(dao)(dao)(称为初始沟(gou)道(dao)(dao))，只要加上正向电(dian)(dian)压vDS，就有电(dian)(dian)流iD。

如果加上正的(de)(de)(de)(de)vGS，栅(zha)极与N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)间的(de)(de)(de)(de)电场(chang)(chang)将在(zai)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)中吸引(yin)来更多(duo)的(de)(de)(de)(de)电子(zi)，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)加宽，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)电阻变(bian)小(xiao)，iD增(zeng)大(da)。反之vGS为负(fu)时，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)中感应的(de)(de)(de)(de)电子(zi)减(jian)少，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)变(bian)窄，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)电阻变(bian)大(da)，iD减(jian)小(xiao)。当vGS负(fu)向增(zeng)加到某一数值时，导电沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)消失，iD趋(qu)于(yu)零(ling)，管子(zi)截止(zhi)，故(gu)称为耗(hao)尽(jin)(jin)型(xing)。沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)消失时的(de)(de)(de)(de)栅(zha)－源(yuan)电压称为夹(jia)断电压，仍用VP表示。与N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)结(jie)型(xing)场(chang)(chang)效应管相(xiang)同，N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)耗(hao)尽(jin)(jin)型(xing)MOS管的(de)(de)(de)(de)夹(jia)断电压VP也为负(fu)值，但(dan)是，前者只能在(zai)vGS<0的(de)(de)(de)(de)情况下工作。而后者在(zai)vGS=0，vGS>0。

P沟道耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET的工(gong)作(zuo)原(yuan)理与N沟道MOSFET完全相同(tong)，只不(bu)过导电(dian)的载流子不(bu)同(tong)，供电(dian)电(dian)压极(ji)性不(bu)同(tong)而已。这如同(tong)双(shuang)极(ji)型(xing)(xing)三极(ji)管有NPN型(xing)(xing)和PNP型(xing)(xing)一样(yang)。

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