MOS管,MOS管工作原理

MOS管

场效应管(guan)（FET），把(ba)输入(ru)(ru)电(dian)压(ya)(ya)的(de)(de)(de)变(bian)化(hua)(hua)转化(hua)(hua)为输出(chu)电(dian)流(liu)的(de)(de)(de)变(bian)化(hua)(hua)。FET的(de)(de)(de)增(zeng)益等于它的(de)(de)(de)跨(kua)导(dao)， 定(ding)义为输出(chu)电(dian)流(liu)的(de)(de)(de)变(bian)化(hua)(hua)和输入(ru)(ru)电(dian)压(ya)(ya)变(bian)化(hua)(hua)之比。市(shi)面上常有(you)的(de)(de)(de)一般为N沟道(dao)和P沟道(dao)，而P沟道(dao)常见的(de)(de)(de)为低压(ya)(ya)mos管(guan)。

一(yi)个(ge)电场在一(yi)个(ge)绝缘层上(shang)(shang)来(lai)(lai)影响(xiang)流(liu)过(guo)晶体管的(de)(de)电流(liu)。事(shi)实上(shang)(shang)没有电流(liu)流(liu)过(guo)这个(ge)绝缘体，所以(yi)FET管的(de)(de)GATE电流(liu)非常(chang)小(xiao)。最普(pu)通(tong)的(de)(de)FET用一(yi)薄层二氧化硅(gui)来(lai)(lai)作(zuo)为GATE极(ji)下的(de)(de)绝缘体。

这种晶体管(guan)(guan)称为金(jin)(jin)属氧(yang)化物(wu)半导体(MOS)晶体管(guan)(guan)，或,金(jin)(jin)属氧(yang)化物(wu)半导体场(chang)(chang)效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)（MOSFET）。因为MOS管(guan)(guan)更(geng)小更(geng)省电，所以他(ta)们已经(jing)在(zai)很多应(ying)用场(chang)(chang)合取代了双极(ji)型晶体管(guan)(guan)。

mos管工作原理动画详解

绝缘(yuan)型场效应(ying)管(guan)(guan)(guan)的栅(zha)(zha)极(ji)(ji)与源极(ji)(ji)、栅(zha)(zha)极(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)之间(jian)均(jun)采(cai)用SiO2绝缘(yuan)层隔离，因(yin)(yin)此而得名。又(you)因(yin)(yin)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)为(wei)金属铝，故(gu)又(you)称为(wei)MOS管(guan)(guan)(guan)。它的栅(zha)(zha)极(ji)(ji)-源极(ji)(ji)之间(jian)的电阻比(bi)结(jie)型场效应(ying)管(guan)(guan)(guan)大得多，可(ke)达1010Ω以(yi)上，还因(yin)(yin)为(wei)它比(bi)结(jie)型场效应(ying)管(guan)(guan)(guan)温度(du)稳定性好、集(ji)成化时温度(du)简(jian)单(dan)，而广泛应(ying)用于(yu)大规模和超大规模集(ji)成电路(lu)中。

与结型场(chang)效应管(guan)(guan)(guan)相同，MOS管(guan)(guan)(guan)工作原理动画示意图也有N沟(gou)道(dao)和P沟(gou)道(dao)两类，但每一类又分(fen)为(wei)增(zeng)(zeng)强型和耗(hao)尽型两种，因此(ci)MOS管(guan)(guan)(guan)的(de)四种类型为(wei)：N沟(gou)道(dao)增(zeng)(zeng)强型管(guan)(guan)(guan)、N沟(gou)道(dao)耗(hao)尽型管(guan)(guan)(guan)、P沟(gou)道(dao)增(zeng)(zeng)强型管(guan)(guan)(guan)、P沟(gou)道(dao)耗(hao)尽型管(guan)(guan)(guan)。凡(fan)栅(zha)极-源极电(dian)压UGS为(wei)零时漏极电(dian)流也为(wei)零的(de)管(guan)(guan)(guan)子(zi)均属于增(zeng)(zeng)强型管(guan)(guan)(guan)，凡(fan)栅(zha)极-源极电(dian)压UGS为(wei)零时漏极电(dian)流不为(wei)零的(de)管(guan)(guan)(guan)子(zi)均属于耗(hao)尽型管(guan)(guan)(guan)。

根据导电方(fang)式的不同，MOSFET又分增强(qiang)型、耗尽型。所谓增强(qiang)型是指(zhi)：当VGS=0时管子(zi)是呈截止状态(tai)，加(jia)上(shang)正确的VGS后(hou)，多数(shu)载流子(zi)被吸引到栅极，从而“增强(qiang)”了该区域的载流子(zi)，形(xing)成(cheng)导电沟道。

N沟道(dao)增强(qiang)型(xing)MOSFET基本上(shang)是一种(zhong)左(zuo)右对(dui)称的拓(tuo)扑(pu)结构，它是在(zai)P型(xing)半导体上(shang)生成一层(ceng)SiO2 薄膜绝(jue)缘(yuan)层(ceng)，然后(hou)用光刻工(gong)艺扩散两个(ge)高掺(chan)杂(za)的N型(xing)区(qu)，从(cong)N型(xing)区(qu)引出电极(ji)，一个(ge)是漏(lou)极(ji)D，一个(ge)是源极(ji)S。在(zai)源极(ji)和(he)漏(lou)极(ji)之间的绝(jue)缘(yuan)层(ceng)上(shang)镀一层(ceng)金属铝作为栅(zha)极(ji)G。

当(dang)VGS＝ 0 V时(shi)，漏源(yuan)之间(jian)相当(dang)两个背靠(kao)背的二极管，在D、S之间(jian)加上电压不会在D、S间(jian)形(xing)成(cheng)电流。

当栅极(ji)加有电(dian)压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极(ji)和衬底(di)间形(xing)成(cheng)的(de)电(dian)容电(dian)场作用，将(jiang)靠近栅极(ji)下(xia)(xia)方的(de)P型(xing)半(ban)导(dao)体中的(de)多子(zi)空穴向(xiang)下(xia)(xia)方排(pai)斥，出(chu)现(xian)了(le)一薄层负离子(zi)的(de)耗尽层；同时将(jiang)吸引(yin)其中的(de)少子(zi)向(xiang)表(biao)层运动，但(dan)数(shu)量有限，不足(zu)以形(xing)成(cheng)导(dao)电(dian)沟道，将(jiang)漏(lou)极(ji)和源极(ji)沟通，所以仍(reng)然不足(zu)以形(xing)成(cheng)漏(lou)极(ji)电(dian)流ID。

进(jin)一步增(zeng)(zeng)加VGS，当VGS＞VGS(th)时（ VGS(th)称为开(kai)启电(dian)(dian)压），由于(yu)此时的(de)栅极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)压已经比(bi)较强，在(zai)靠近栅极(ji)(ji)(ji)下方的(de)P型半导体表层中聚集较多的(de)电(dian)(dian)子，可(ke)以形(xing)成沟道，将漏极(ji)(ji)(ji)和源极(ji)(ji)(ji)沟通。如(ru)果(guo)此时加有漏源电(dian)(dian)压，就可(ke)以形(xing)成漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流ID。在(zai)栅极(ji)(ji)(ji)下方形(xing)成的(de)导电(dian)(dian)沟道中的(de)电(dian)(dian)子，因与P型半导体的(de)载流子空穴极(ji)(ji)(ji)性相(xiang)反,故(gu)称为反型层。随着VGS的(de)继(ji)续增(zeng)(zeng)加,ID将不断增(zeng)(zeng)加。在(zai)VGS＝0V时ID＝0，只(zhi)有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流，所以,这种MOS管称为增(zeng)(zeng)强型MOS管。

VGS对漏极电流的控制关系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const这一(yi)曲线描(miao)述，称(cheng)为(wei)转移特性(xing)曲线，MOS管工(gong)作(zuo)原理(li)动画见图1.。转(zhuan)移特性曲线(xian)的(de)斜(xie)率(lv)gm的(de)大小(xiao)反映了栅源电压对漏极电流的(de)控制作用。 gm的(de)量纲(gang)为(wei)mA/V，所以gm也称为(wei)跨导(dao)。

图1. 转移特(te)性曲线

MOS管工(gong)作(zuo)(zuo)原理动(dong)画(hua)2—54（a）为(wei)N沟道增强(qiang)型MOS管工(gong)作(zuo)(zuo)原理动(dong)画(hua)图，其(qi)电路符(fu)号如图2—54（b）所示。它是(shi)用(yong)(yong)一(yi)块掺(chan)杂(za)浓度较低的P型硅片作(zuo)(zuo)为(wei)衬底，利用(yong)(yong)扩散(san)工(gong)艺在衬底上(shang)扩散(san)两(liang)个(ge)高掺(chan)杂(za)浓度的N型区（用(yong)(yong)N+表(biao)示），并在此N型区上(shang)引出(chu)两(liang)个(ge)欧姆接触(chu)电极(ji)，分别称为(wei)源极(ji)（用(yong)(yong)S表(biao)示）和漏极(ji)（用(yong)(yong)D表(biao)示）。

在(zai)源区、漏(lou)区之(zhi)间的衬(chen)底表面覆盖一层(ceng)二氧化硅（SiO2）绝缘层(ceng)，在(zai)此(ci)绝缘层(ceng)上沉积(ji)出(chu)金属铝层(ceng)并引(yin)出(chu)电(dian)极作为栅极（用(yong)G表示）。从(cong)衬(chen)底引(yin)出(chu)一个(ge)欧(ou)姆接触电(dian)极称为衬(chen)底电(dian)极（用(yong)B表示）。

由于(yu)栅极与其它电极之间是相(xiang)互绝缘的，所以称它为绝缘栅型场效应管。MOS管工作原理(li)动画图(tu)2—54（a）中的L为沟道长度，W为沟道宽度。

图2-54

图2—54所示的MOSFET，当(dang)栅极(ji)G和源极(ji)S之间不加任何电压，即UGS=0时,由于漏(lou)极和(he)源极两个N+型区之(zhi)(zhi)间隔有P型衬底，相(xiang)当于两个背(bei)靠(kao)背(bei)连接(jie)的PN结，它(ta)们(men)之(zhi)(zhi)间的电阻高达1012W的数量级(ji)，也就是说D、S之(zhi)(zhi)间不具(ju)备导(dao)电的沟(gou)道，所以无(wu)论漏(lou)、源极之(zhi)(zhi)间加何种极性的电压，都(dou)不会产生(sheng)漏(lou)极电流ID。

当将衬(chen)底(di)(di)(di)B与源极(ji)S短(duan)接，在栅极(ji)G和源极(ji)S之间加(jia)正(zheng)电压，即UGS﹥0时(shi),MOS管工作原理动(dong)画图2—55（a）所示(shi)，则在栅极(ji)与衬(chen)底(di)(di)(di)之间产生一个(ge)由栅极(ji)指(zhi)向(xiang)衬(chen)底(di)(di)(di)的(de)电场。在这个(ge)电场的(de)作用(yong)下(xia)，P衬(chen)底(di)(di)(di)表(biao)面(mian)附(fu)近的(de)空(kong)穴(xue)受(shou)到(dao)排斥将向(xiang)下(xia)方(fang)运(yun)动(dong)，电子受(shou)电场的(de)吸引向(xiang)衬(chen)底(di)(di)(di)表(biao)面(mian)运(yun)动(dong)，与衬(chen)底(di)(di)(di)表(biao)面(mian)的(de)空(kong)穴(xue)复合(he)，形成了一层耗尽层。

如果进一步提(ti)高UGS电(dian)(dian)压(ya)，使UGS达到某一电(dian)(dian)压(ya)UT时(shi)，P衬(chen)底(di)表面(mian)(mian)(mian)层(ceng)中空穴(xue)全部被排斥和耗尽，而自(zi)由电(dian)(dian)子大量地被吸引到表面(mian)(mian)(mian)层(ceng)，由量变到质变，使表面(mian)(mian)(mian)层(ceng)变成(cheng)了自(zi)由电(dian)(dian)子为(wei)多子的N型层(ceng)，称(cheng)为(wei)“反型层(ceng)”，MOS管工作原理动画图(tu)2—55（b）所示。

反型(xing)层将漏(lou)极(ji)D和源极(ji)S两个N+型(xing)区相(xiang)连通(tong)，构成了漏(lou)、源极(ji)之间的N型(xing)导(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道。把开(kai)始形成导(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道所需的UGS值称为(wei)阈值电(dian)压或开(kai)启电(dian)压，用(yong)UT表示。显然，只(zhi)有UGS﹥UT时才有沟(gou)(gou)道，而且UGS越(yue)(yue)大，沟(gou)(gou)道越(yue)(yue)厚，沟(gou)(gou)道的导(dao)通(tong)电(dian)阻越(yue)(yue)小，导(dao)电(dian)能(neng)力越(yue)(yue)强。这就(jiu)是为(wei)什么把它称为(wei)增强型(xing)的缘故。

在UGS﹥UT的条件下，如果(guo)在漏极(ji)D和源(yuan)极(ji)S之间(jian)加上正电(dian)(dian)压UDS，导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)就会(hui)有电(dian)(dian)流流通。漏极(ji)电(dian)(dian)流由漏区(qu)流向源(yuan)区(qu)，因为沟(gou)道(dao)有一(yi)定的电(dian)(dian)阻(zu)，所以(yi)沿(yan)着沟(gou)道(dao)产(chan)生电(dian)(dian)压降，使沟(gou)道(dao)各点的电(dian)(dian)位沿(yan)沟(gou)道(dao)由漏区(qu)到源(yuan)区(qu)逐渐减小，靠近(jin)漏区(qu)一(yi)端的电(dian)(dian)压UGD最小，其值为UGD=UGS－UDS,相(xiang)应(ying)的沟(gou)道(dao)最薄(bo)；

靠近源区一端的(de)电压最(zui)大，等(deng)于UGS,相应的(de)沟道(dao)(dao)最(zui)厚。这样就使得(de)沟道(dao)(dao)厚度(du)不(bu)再是均匀的(de)，整个沟道(dao)(dao)呈(cheng)倾斜状(zhuang)。随着UDS的(de)增(zeng)大，靠近漏(lou)区一端的(de)沟道(dao)(dao)越(yue)(yue)来(lai)越(yue)(yue)薄。

图2-55

当UDS增大(da)到(dao)某一临界值，使UGD≤UT时，漏端的沟道消(xiao)失，只剩下(xia)耗尽(jin)层，把这种(zhong)情况称为沟道“预夹断”，MOS管工作原理(li)动画(hua)图(tu)2—56（a）所示。继续增大(da)UDS(即(ji)UDS＞UGS－UT)，夹断点(dian)向(xiang)源(yuan)极方向(xiang)移动，MOS管工作原理(li)动画(hua)图(tu)2—56（b）所示。尽(jin)管夹断点(dian)在移动，但沟道区（源(yuan)极S到(dao)夹断点(dian)）的电压降保(bao)持不变(bian)，仍(reng)等于(yu)UGS－UT。

因此,UDS多余部分(fen)电压(ya)[UDS－(UGS－UT)]全部降到(dao)夹断(duan)区上(shang)，在夹断(duan)区内(nei)形成(cheng)较(jiao)强(qiang)的(de)(de)电场。这时(shi)电子(zi)沿(yan)沟道(dao)从源极流向夹断(duan)区，当电子(zi)到(dao)达夹断(duan)区边缘时(shi)，受夹断(duan)区强(qiang)电场的(de)(de)作用，会很快的(de)(de)漂移到(dao)漏极。

耗尽(jin)型，耗尽(jin)型是指，当VGS=0时即(ji)形(xing)成(cheng)沟道，加上正确的VGS时，能使多数载(zai)(zai)流(liu)(liu)子流(liu)(liu)出(chu)沟道，因而“耗尽(jin)”了载(zai)(zai)流(liu)(liu)子，使管子转向截止。

耗尽型MOS场效应管(guan)，是在制造过(guo)程中，预先在SiO2绝缘(yuan)层中掺入大(da)量的(de)(de)正离子，因此，在UGS=0时(shi)，这些(xie)正离子产生的(de)(de)电(dian)场也能在P型衬底中“感应”出足(zu)够的(de)(de)电(dian)子，形(xing)成N型导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)。

当UDS>0时(shi)，将产(chan)生较大的(de)漏极电流(liu)ID。如果使(shi)UGS<0，则(ze)它(ta)将削弱正离子所(suo)形(xing)成的(de)电场(chang)，使(shi)N沟(gou)道变窄，从而使(shi)ID减小(xiao)。当UGS更负(fu)，达到某一数值时(shi)沟(gou)道消失，ID=0。使(shi)ID=0的(de)UGS我们(men)也称(cheng)为夹(jia)断电压，仍用(yong)UP表示。

UGS N沟道耗尽型(xing)MOSFET的结(jie)构与增强(qiang)型(xing)MOSFET结(jie)构类似，只有(you)一点不(bu)同，就是N沟道耗尽型(xing)MOSFET在(zai)栅极电压uGS=0时，沟道已经(jing)存在(zai)。该N沟道是在(zai)制造过程中应用离子注入法预先在(zai)衬底(di)的表面(mian)，在(zai)D、S之间制造的，称之为(wei)初始沟道。

N沟道耗尽型(xing)MOSFET的结构和符号如MOS管工作原(yuan)理动画(hua)1.（a）所(suo)示，它是在栅(zha)极(ji)下方(fang)的SiO2绝缘层(ceng)中(zhong)掺入(ru)了(le)大量的金属(shu)正离(li)子。所(suo)以当VGS＝0时，这(zhei)些正离(li)子已经(jing)感应出反型(xing)层(ceng)，形成了(le)沟道。于是，只要有漏源电(dian)压，就有漏极(ji)电(dian)流存(cun)在。当VGS＞0时，将使ID进一步增(zeng)加(jia)。

VGS＜0时，随着VGS的减(jian)小漏(lou)极电流(liu)逐渐减(jian)小，直(zhi)至ID＝0。对应ID＝0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表(biao)示(shi)，有时也(ye)用VP表(biao)示(shi)。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性(xing)曲(qu)线如图1（b）所示(shi)。

图2-56 N沟道耗(hao)尽型MOSFET的结构和转移特性曲线

由于耗(hao)尽型MOSFET在uGS=0时，漏源之间的沟(gou)(gou)道(dao)(dao)已经存在，所以只要(yao)加上uDS,就有iD流通。如果增加正(zheng)向栅压uGS，栅极与衬底之间的电场将(jiang)使沟(gou)(gou)道(dao)(dao)中感应更多(duo)的电子，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)变厚，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)的电导增大(da)。

如果(guo)在(zai)(zai)栅极(ji)加(jia)负电(dian)压(ya)（即uGS＜0＝，就会在(zai)(zai)相对应(ying)的(de)衬底表(biao)面(mian)感(gan)应(ying)出正电(dian)荷，这些(xie)正电(dian)荷抵消N沟(gou)(gou)道(dao)中的(de)电(dian)子，从而在(zai)(zai)衬底表(biao)面(mian)产生(sheng)一(yi)个耗(hao)(hao)尽层，使(shi)沟(gou)(gou)道(dao)变窄，沟(gou)(gou)道(dao)电(dian)导减小。当负栅压(ya)增大到(dao)某一(yi)电(dian)压(ya)Up时(shi)(shi)，耗(hao)(hao)尽区扩展到(dao)整(zheng)个沟(gou)(gou)道(dao)，沟(gou)(gou)道(dao)完全被夹断（耗(hao)(hao)尽），这时(shi)(shi)即使(shi)uDS仍(reng)存在(zai)(zai)，也(ye)不会产生(sheng)漏(lou)极(ji)电(dian)流，即iD=0。UP称为夹断电(dian)压(ya)或阈值(zhi)(zhi)电(dian)压(ya)，其(qi)值(zhi)(zhi)通(tong)常(chang)在(zai)(zai)–1V–10V之间N沟(gou)(gou)道(dao)耗(hao)(hao)尽型MOSFET的(de)输出特性曲(qu)(qu)线和转移特性曲(qu)(qu)线分别如图2—60（a）、（b）所(suo)示(shi)。

在可变电阻(zu)区内，iD与uDS、uGS的关系仍为(wei)

在(zai)恒流区，iD与uGS的关系(xi)仍满(man)足式(shi)（2—81），即

若(ruo)考虑uDS的影响，iD可近(jin)似为(wei)

对(dui)耗尽型场效应管来说，式（2—84）也可表示为

式中，IDSS称为(wei)uGS=0时的饱和漏电(dian)流，其值为(wei)

P沟(gou)道MOSFET的工作原(yuan)理(li)与N沟(gou)道MOSFET完全相(xiang)同(tong)，只不(bu)(bu)过(guo)导(dao)电的载(zai)流(liu)子(zi)不(bu)(bu)同(tong)，供电电压(ya)极(ji)性不(bu)(bu)同(tong)而已。这如同(tong)双极(ji)型三极(ji)管(guan)有NPN型和(he)PNP型一(yi)样(yang)。

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