解析mos管的四种类型-MOS管四种类型有什么区别及联系

mos管的四种类型

mos管(guan)(guan)(guan)的(de)四种(zhong)类(lei)(lei)型(xing)(xing)(xing)，与(yu)结型(xing)(xing)(xing)场效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)(guan)相同，MOS管(guan)(guan)(guan)工(gong)作原理动画示意(yi)图也有N沟道(dao)(dao)和P沟道(dao)(dao)两(liang)类(lei)(lei)，但每一(yi)类(lei)(lei)又分(fen)为(wei)增强(qiang)(qiang)(qiang)型(xing)(xing)(xing)和耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)(xing)两(liang)种(zhong)，因此MOS管(guan)(guan)(guan)的(de)四种(zhong)类(lei)(lei)型(xing)(xing)(xing)为(wei)：N沟道(dao)(dao)增强(qiang)(qiang)(qiang)型(xing)(xing)(xing)管(guan)(guan)(guan)、N沟道(dao)(dao)耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)(xing)管(guan)(guan)(guan)、P沟道(dao)(dao)增强(qiang)(qiang)(qiang)型(xing)(xing)(xing)管(guan)(guan)(guan)、P沟道(dao)(dao)耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)(xing)管(guan)(guan)(guan)。凡(fan)栅(zha)极(ji)-源极(ji)电(dian)压UGS为(wei)零时漏极(ji)电(dian)流也为(wei)零的(de)管(guan)(guan)(guan)子(zi)均(jun)属于(yu)增强(qiang)(qiang)(qiang)型(xing)(xing)(xing)管(guan)(guan)(guan)，凡(fan)栅(zha)极(ji)-源极(ji)电(dian)压UGS为(wei)零时漏极(ji)电(dian)流不为(wei)零的(de)管(guan)(guan)(guan)子(zi)均(jun)属于(yu)耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)(xing)管(guan)(guan)(guan)，所以下面一(yi)一(yi)介绍mos管(guan)(guan)(guan)的(de)四种(zhong)类(lei)(lei)型(xing)(xing)(xing)。

mos管的四种类型-N沟道增强型的结构与工作原理
N沟道增强型MOS管结构

在(zai)一(yi)块掺杂浓度较(jiao)低的(de)(de)P型硅(gui)衬底上(shang)，制作两(liang)个(ge)(ge)(ge)高掺杂浓度的(de)(de)N+区，并用(yong)金属铝引出两(liang)个(ge)(ge)(ge)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)，分别作漏极(ji)(ji)(ji)d和(he)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)s。然后在(zai)半导体表(biao)面覆盖一(yi)层(ceng)很薄的(de)(de)二(er)氧化硅(gui)(SiO2)绝(jue)缘(yuan)层(ceng)，在(zai)漏——源(yuan)极(ji)(ji)(ji)间的(de)(de)绝(jue)缘(yuan)层(ceng)上(shang)再装(zhuang)上(shang)一(yi)个(ge)(ge)(ge)铝电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji),作为(wei)栅极(ji)(ji)(ji)g。衬底上(shang)也引出一(yi)个(ge)(ge)(ge)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)B，这就构成了一(yi)个(ge)(ge)(ge)N沟道(dao)增强型MOS管。MOS管的(de)(de)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)和(he)衬底通(tong)常是(shi)接在(zai)一(yi)起的(de)(de)(大多数管子(zi)在(zai)出厂(chang)前已连接好(hao))。它的(de)(de)栅极(ji)(ji)(ji)与其它电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)间是(shi)绝(jue)缘(yuan)的(de)(de)。

图(a)、(b)分别是它的结构(gou)示(shi)意图和代表(biao)符号(hao)。代表(biao)符号(hao)中的箭头方(fang)向表(biao)示(shi)由P(衬(chen)底)指向N(沟道(dao))。P沟道(dao)增强型MOS管的箭头方(fang)向与上述相反，如图(c)所(suo)示(shi)。

N沟道增强型MOS管的工作原理

（1）vGS对(dui)iD及沟道的(de)控制作用(yong)

① vGS=0 的情况

从图1(a)可以看出，增(zeng)强型(xing)MOS管的(de)漏(lou)极(ji)d和源极(ji)s之间有两个背靠背的(de)PN结。当(dang)栅——源电(dian)(dian)压vGS=0时，即使加上漏(lou)——源电(dian)(dian)压vDS，而且不(bu)论vDS的(de)极(ji)性如何，总有一个PN结处于反偏状态(tai)，漏(lou)——源极(ji)间没(mei)有导电(dian)(dian)沟道(dao)，所以这(zhei)时漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅极和衬(chen)底之间的SiO2绝(jue)缘层中便产生一个电(dian)(dian)场。电(dian)(dian)场方(fang)向垂直于半导(dao)体表面的由(you)栅极指向衬(chen)底的电(dian)(dian)场。这(zhei)个电(dian)(dian)场能排斥空穴而(er)吸引(yin)电(dian)(dian)子(zi)。

排(pai)斥空穴(xue)：使栅极附近的(de)P型(xing)(xing)衬底(di)中的(de)空穴(xue)被排(pai)斥，剩(sheng)下不能移动的(de)受主(zhu)离子(zi)(zi)(负(fu)离子(zi)(zi))，形成耗尽层。吸(xi)引电子(zi)(zi)：将 P型(xing)(xing)衬底(di)中的(de)电子(zi)(zi)（少子(zi)(zi)）被吸(xi)引到(dao)衬底(di)表面(mian)。

（2）导(dao)电(dian)沟道的(de)形成：

当vGS数值较小(xiao)，吸(xi)引电(dian)子的能力不(bu)强时，漏——源极(ji)之(zhi)间仍无导电(dian)沟道出现，如图1(b)所示。vGS增(zeng)加时，吸(xi)引到(dao)P衬(chen)底(di)表面层的电(dian)子就增(zeng)多，当vGS达(da)到(dao)某(mou)一数值时，这些(xie)电(dian)子在栅极(ji)附近的P衬(chen)底(di)表面便(bian)形成一个N型(xing)薄层，且(qie)与(yu)两个N+区相连通，在漏——源极(ji)间形成N型(xing)导电(dian)沟道，其导电(dian)类型(xing)与(yu)P衬(chen)底(di)相反(fan)，故又称为(wei)反(fan)型(xing)层，如图1(c)所示。

vGS越(yue)(yue)大，作用于(yu)半导体表(biao)面(mian)的电(dian)(dian)场就越(yue)(yue)强，吸引到P衬底(di)表(biao)面(mian)的电(dian)(dian)子就越(yue)(yue)多，导电(dian)(dian)沟道(dao)越(yue)(yue)厚，沟道(dao)电(dian)(dian)阻越(yue)(yue)小。开(kai)始形成(cheng)沟(gou)道时的栅——源极电压称(cheng)为开(kai)启电压，用VT表示(shi)。

上(shang)面(mian)讨论(lun)的N沟道(dao)(dao)MOS管(guan)(guan)在(zai)vGS＜VT时，不能形成(cheng)导电(dian)沟道(dao)(dao)，管(guan)(guan)子处于截(jie)止状态。只有(you)当vGS≥VT时，才有(you)沟道(dao)(dao)形成(cheng)。这种(zhong)必(bi)须在(zai)vGS≥VT时才能形成(cheng)导电(dian)沟道(dao)(dao)的MOS管(guan)(guan)称为增强型MOS管(guan)(guan)。沟道(dao)(dao)形成(cheng)以后，在(zai)漏——源极间加(jia)上(shang)正向电(dian)压vDS，就有(you)漏极电(dian)流产生(sheng)。

vDS对iD的影响

如图(a)所示(shi)，当vGS>VT且为(wei)一确定值(zhi)时，漏(lou)——源电(dian)(dian)压vDS对导电(dian)(dian)沟道及电(dian)(dian)流(liu)iD的影响与(yu)结型场(chang)效应管(guan)相似。

漏极(ji)电流iD沿沟道产生(sheng)的电压(ya)降使沟道内各点与栅极(ji)间的电压(ya)不(bu)再相等(deng)，靠近(jin)源(yuan)极(ji)一端的电压(ya)最大，这里沟道最厚，而漏极(ji)一端电压(ya)最小(xiao)，其(qi)值为(wei)VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但(dan)当(dang)vDS较小(xiao)（vDS

随(sui)着vDS的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，靠近漏极的(de)沟道(dao)越来越薄，当(dang)vDS增(zeng)(zeng)(zeng)加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道(dao)在漏极一端出(chu)现预夹(jia)(jia)(jia)断，如(ru)图2(b)所(suo)示。再继续增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)vDS，夹(jia)(jia)(jia)断点将向(xiang)源(yuan)极方向(xiang)移(yi)动，如(ru)图2(c)所(suo)示。由于vDS的(de)增(zeng)(zeng)(zeng)加部分几乎(hu)全部降落(luo)在夹(jia)(jia)(jia)断区(qu)，故(gu)iD几乎(hu)不随(sui)vDS增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)而增(zeng)(zeng)(zeng)加，管子进入饱和(he)区(qu)，iD几乎(hu)仅由vGS决定。

mos管的四种类型-N沟道耗尽型MOS管

（1）结构：

N沟道耗尽型MOS管与(yu)N沟道增强型MOS管基本相(xiang)似。

（2）区(qu)别：

耗尽型MOS管(guan)(guan)在vGS=0时，漏——源极(ji)间已有导(dao)电沟道产生，而增(zeng)强型MOS管(guan)(guan)要(yao)在vGS≥VT时才出现(xian)导(dao)电沟道。

（3）原因(yin)：

制(zhi)造(zao)N沟(gou)(gou)道(dao)耗尽型(xing)MOS管时(shi)，在SiO2绝(jue)缘层(ceng)中掺入(ru)了大量(liang)的(de)(de)碱(jian)金属正(zheng)离子Na+或(huo)K+(制(zhi)造(zao)P沟(gou)(gou)道(dao)耗尽型(xing)MOS管时(shi)掺入(ru)负(fu)离子)，如图1(a)所示，因此即(ji)使vGS=0时(shi)，在这些(xie)正(zheng)离子产生的(de)(de)电场作用下，漏——源极(ji)间的(de)(de)P型(xing)衬底表面也能感应生成N沟(gou)(gou)道(dao)(称为初始沟(gou)(gou)道(dao))，只要加上正(zheng)向(xiang)电压(ya)vDS，就有电流iD。

如果加(jia)(jia)上正的(de)vGS，栅极与N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道间的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)场将在沟(gou)(gou)(gou)(gou)道中(zhong)吸引来更多的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)子，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道加(jia)(jia)宽，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)变(bian)小(xiao)，iD增大(da)。反之vGS为负(fu)(fu)(fu)时(shi)(shi)，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道中(zhong)感应的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)子减少，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道变(bian)窄，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)变(bian)大(da)，iD减小(xiao)。当vGS负(fu)(fu)(fu)向增加(jia)(jia)到某一数值时(shi)(shi)，导电(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)(gou)(gou)(gou)道消(xiao)(xiao)失，iD趋于零，管子截(jie)止，故称为耗尽(jin)型。沟(gou)(gou)(gou)(gou)道消(xiao)(xiao)失时(shi)(shi)的(de)栅－源电(dian)(dian)(dian)(dian)压称为夹(jia)断(duan)(duan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压，仍用VP表示。与N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道结型场效应管相同，N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道耗尽(jin)型MOS管的(de)夹(jia)断(duan)(duan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压VP也为负(fu)(fu)(fu)值，但是(shi)，前者只能在vGS<0的(de)情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。

mos管的四种类型-p沟道增强型MOS管

（一）P沟道(dao)增强型mosfet的结构和工作(zuo)原(yuan)理

如(ru)图(tu)(1)是P沟道增(zeng)强型mosfet的结构示意图(tu)．通(tong)过光刻、扩散的方(fang)法或(huo)其(qi)他(ta)手段(duan)，在N型衬底(基片)上(shang)制(zhi)作出(chu)两个掺杂的P区，分别引出(chu)电(dian)(dian)极(ji)，称(cheng)为(wei)源极(ji)(s)和漏(lou)极(ji)(D)，同时(shi)在漏(lou)极(ji)与源极(ji)之间(jian)的Si02绝缘(yuan)(yuan)(yuan)层上(shang)制(zhi)作金属(shu)，称(cheng)为(wei)栅(zha)极(ji)(G)，栅(zha)极(ji)与其(qi)他(ta)电(dian)(dian)极(ji)是绝缘(yuan)(yuan)(yuan)的，所以称(cheng)为(wei)绝缘(yuan)(yuan)(yuan)栅(zha)场效应(ying)管 。图(tu)(2)为(wei)P沟道增(zeng)强型MOS管的电(dian)(dian)路(lu)符号(hao)。

正常工作时，P沟(gou)道(dao)增强型mosfet的(de)衬(chen)底必须与(yu)源极相连，而漏心极对源极的(de)电压v璐应为(wei)负(fu)值，以保证两个P区与(yu)衬(chen)底之间的(de)PN结均为(wei)反(fan)偏，同时为(wei)了在衬(chen)底顶表(biao)面附近形成导电沟(gou)道(dao)。栅极对源极的(de)电压‰也(ye)应为(wei)负(fu)．

1．导(dao)电(dian)沟道(dao)的形(xing)成(VDS=0)

当VDS=0时(shi)，在栅源(yuan)之间(jian)加(jia)(jia)负(fu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)比，如(ru)图(3)所示，由于绝(jue)(jue)缘层(ceng)的(de)(de)(de)存在，故没有电(dian)(dian)(dian)流，但(dan)是金属栅极被补充电(dian)(dian)(dian)而聚(ju)集负(fu)电(dian)(dian)(dian)荷，N型半导体中(zhong)的(de)(de)(de)多子电(dian)(dian)(dian)子被负(fu)电(dian)(dian)(dian)荷排斥向(xiang)体内运(yun)动，表面留(liu)下带正电(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)离(li)子，形(xing)成(cheng)(cheng)耗尽层(ceng)，随着G、S间(jian)负(fu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)(de)(de)增加(jia)(jia)，耗尽层(ceng)加(jia)(jia)宽(kuan)，当v＆增大到(dao)一(yi)定值时(shi)，衬底中(zhong)的(de)(de)(de)空穴(少子)被栅极中(zhong)的(de)(de)(de)负(fu)电(dian)(dian)(dian)荷吸(xi)引到(dao)表面，在耗尽层(ceng)和(he)绝(jue)(jue)缘层(ceng)之间(jian)形(xing)成(cheng)(cheng)一(yi)个P型薄层(ceng)，称反型层(ceng)。

如(ru)下图(4)所示，这(zhei)个反型(xing)(xing)层(ceng)就(jiu)构成漏源之间的(de)导电沟道，这(zhei)时的(de)VGs称为(wei)开启电压VGS(th)，啵(bo)到(dao)vGS(th)后再增加(jia)，衬底表(biao)面感应的(de)空(kong)穴越(yue)多(duo)，反型(xing)(xing)层(ceng)加(jia)宽(kuan)，而耗尽层(ceng)的(de)宽(kuan)度却(que)不再变(bian)化，这(zhei)样我们可以(yi)用vGs的(de)大小控(kong)制导电沟道的(de)宽(kuan)度。

2．VDS≠O的情况

导电(dian)沟(gou)(gou)道形成以(yi)后(hou)，D，S间加负向(xiang)电(dian)压时，那么在源极(ji)(ji)(ji)与漏极(ji)(ji)(ji)之间将有漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)流ID流通(tong)，而且ID随/VDS/而增.ID沿沟(gou)(gou)道产生的(de)压降使(shi)沟(gou)(gou)道上各(ge)点与栅极(ji)(ji)(ji)间的(de)电(dian)压不再相等，该电(dian)压削弱了栅极(ji)(ji)(ji)中负电(dian)荷电(dian)场的(de)作(zuo)用，使(shi)沟(gou)(gou)道从漏极(ji)(ji)(ji)到源极(ji)(ji)(ji)逐(zhu)渐(jian)变窄，如图(5)所示．当VDS增大到使(shi)VGD=VGS(即VDS=VGS一VGS(TH))，沟(gou)(gou)道在漏极(ji)(ji)(ji)附近出现预夹断。

如图(6)所(suo)示．再(zai)继续(xu)增大VDS，夹断区只是稍有加长，而沟道电流基(ji)本上保持预夹断时(shi)的(de)数值(zhi)，其(qi)原因是当出现(xian)预夹断时(shi)再(zai)继续(xu)增大VDS，VDS的(de)多余部分就全(quan)部加在漏(lou)极附近的(de)夹断区上,故(gu)形成的(de)漏(lou)极电流ID近似与VDS无关(guan)。

（二）P沟道增强型(xing)mosfet的特性(xing)曲(qu)线和(he)转移特性(xing)曲(qu)线

图(7)、(8)分别是P沟道增强型(xing)M06管的漏极(ji)(ji)特(te)性(xing)曲(qu)(qu)(qu)线和转移特(te)性(xing)曲(qu)(qu)(qu)线．漏极(ji)(ji)特(te)性(xing)曲(qu)(qu)(qu)线也可(ke)分为可(ke)变电阻(zu)区(qu)、恒流区(qu)和夹断区(qu)三部(bu)分．转移特(te)性(xing)曲(qu)(qu)(qu)线是、，璐使管子工作在漏极(ji)(ji)特(te)性(xing)曲(qu)(qu)(qu)线的恒流区(qu)时所对应的ID=F（VGS）曲(qu)(qu)(qu)线：

ID与VGS的近似关系式为：

mos管的四种类型-P沟道耗尽型MOS管

P沟道MOSFET的工作原理(li)与(yu)N沟道MOSFET完全相同(tong)，只不(bu)过导电的载流子不(bu)同(tong)，供电电压极(ji)性不(bu)同(tong)而已。这如(ru)同(tong)双极(ji)型三极(ji)管(guan)有NPN型和PNP型一样。

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