mos管工作原理通俗易懂-看图文 学MOS管工作原理等知识

mos管工作原理通俗易懂

本文介(jie)绍的(de)mos管工作原理(li)通俗易懂(dong)，希望(wang)对大(da)(da)家有所(suo)帮(bang)助。绝缘(yuan)型(xing)场(chang)效(xiao)应管的(de)栅极(ji)与(yu)源(yuan)极(ji)、栅极(ji)和漏极(ji)之(zhi)间均(jun)采用SiO2绝缘(yuan)层(ceng)隔离，因(yin)此而得名。又因(yin)栅极(ji)为(wei)金(jin)属铝，故又称为(wei)MOS管。它的(de)栅极(ji)-源(yuan)极(ji)之(zhi)间的(de)电阻比结型(xing)场(chang)效(xiao)应管大(da)(da)得多，可达1010Ω以上(shang)，还因(yin)为(wei)它比结型(xing)场(chang)效(xiao)应管温度(du)稳定性好、集(ji)成化时温度(du)简单，而广泛应用于(yu)大(da)(da)规模和超大(da)(da)规模集(ji)成电路(lu)中。

与结型(xing)(xing)场效应管(guan)相(xiang)同，MOS管(guan)工(gong)作原理动画(hua)示(shi)意图也(ye)有N沟(gou)道(dao)(dao)和P沟(gou)道(dao)(dao)两(liang)类，但每(mei)一(yi)类又分为(wei)增强型(xing)(xing)和耗尽(jin)型(xing)(xing)两(liang)种，因此MOS管(guan)的四种类型(xing)(xing)为(wei)：N沟(gou)道(dao)(dao)增强型(xing)(xing)管(guan)、N沟(gou)道(dao)(dao)耗尽(jin)型(xing)(xing)管(guan)、P沟(gou)道(dao)(dao)增强型(xing)(xing)管(guan)、P沟(gou)道(dao)(dao)耗尽(jin)型(xing)(xing)管(guan)。凡栅极(ji)(ji)(ji)-源极(ji)(ji)(ji)电(dian)压UGS为(wei)零(ling)时漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)流(liu)(liu)也(ye)为(wei)零(ling)的管(guan)子(zi)(zi)均属(shu)于增强型(xing)(xing)管(guan)，凡栅极(ji)(ji)(ji)-源极(ji)(ji)(ji)电(dian)压UGS为(wei)零(ling)时漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)流(liu)(liu)不(bu)为(wei)零(ling)的管(guan)子(zi)(zi)均属(shu)于耗尽(jin)型(xing)(xing)管(guan)。

根据导(dao)电方式的不(bu)同，MOSFET又分增强(qiang)型(xing)、耗尽型(xing)。所谓(wei)增强(qiang)型(xing)是(shi)指：当VGS=0时管子(zi)是(shi)呈(cheng)截止状态，加上正确(que)的VGS后，多数载流子(zi)被吸引(yin)到栅(zha)极，从而“增强(qiang)”了该(gai)区域的载流子(zi)，形成导(dao)电沟道。

mos管工(gong)作原理通俗(su)易懂，N沟道增强型(xing)MOSFET基本上(shang)是一种左右对称的(de)拓扑结构，它是在(zai)P型(xing)半导(dao)体(ti)上(shang)生成(cheng)一层SiO2 薄膜绝(jue)缘层，然(ran)后用光刻(ke)工(gong)艺扩散(san)两(liang)个(ge)高(gao)掺杂的(de)N型(xing)区(qu)，从(cong)N型(xing)区(qu)引出电(dian)极(ji)，一个(ge)是漏极(ji)D，一个(ge)是源(yuan)极(ji)S。在(zai)源(yuan)极(ji)和漏极(ji)之间的(de)绝(jue)缘层上(shang)镀一层金属铝作为(wei)栅(zha)极(ji)G。

当(dang)VGS=0 V时(shi)，漏源之间相当(dang)两个背靠背的二极管，在D、S之间加(jia)上电压不会在D、S间形成电流。

当栅极加有电压时(shi)，若(ruo)0＜VGS＜VGS(th)时(shi)，通过栅极和衬底间形(xing)成的(de)电容电场作用，将靠近栅极下方的(de)P型半(ban)导体中的(de)多子空穴向下方排斥，出现了一(yi)薄(bo)层(ceng)负离子的(de)耗尽层(ceng)；同时(shi)将吸引(yin)其中的(de)少(shao)子向表层(ceng)运动，但数(shu)量有限(xian)，不足(zu)以形(xing)成导电沟(gou)道，将漏极和源极沟(gou)通，所以仍然不足(zu)以形(xing)成漏极电流ID。

进一步增加(jia)VGS，当(dang)VGS>VGS(th)时(shi)(shi)( VGS(th)称为(wei)开启电(dian)(dian)压(ya))，由于此时(shi)(shi)的(de)栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)压(ya)已经比较强(qiang)，在(zai)靠近栅(zha)极(ji)下方(fang)的(de)P型半导(dao)(dao)体表层中聚集(ji)较多(duo)的(de)电(dian)(dian)子(zi)，可以(yi)形成沟道(dao)，将漏(lou)(lou)极(ji)和源极(ji)沟通。如(ru)果此时(shi)(shi)加(jia)有漏(lou)(lou)源电(dian)(dian)压(ya)，就可以(yi)形成漏(lou)(lou)极(ji)电(dian)(dian)流ID。在(zai)栅(zha)极(ji)下方(fang)形成的(de)导(dao)(dao)电(dian)(dian)沟道(dao)中的(de)电(dian)(dian)子(zi)，因与(yu)P型半导(dao)(dao)体的(de)载流子(zi)空穴极(ji)性相反(fan),故称为(wei)反(fan)型层。随(sui)着(zhe)VGS的(de)继续增加(jia),ID将不断(duan)增加(jia)。在(zai)VGS=0V时(shi)(shi)ID=0，只(zhi)有当(dang)VGS>VGS(th)后才会出现漏(lou)(lou)极(ji)电(dian)(dian)流，所(suo)以(yi),这(zhei)种MOS管称为(wei)增强(qiang)型MOS管。

VGS对(dui)漏极电(dian)流的控制(zhi)关系可用(yong)iD=f(VGS(th))|VDS=const这一(yi)曲(qu)线描述，称为转(zhuan)移特性曲(qu)线，MOS管工作(zuo)原理动画见图(tu)1.。

转移特性(xing)曲(qu)线的(de)斜(xie)率(lv)gm的(de)大(da)小反映(ying)了栅源(yuan)电压对漏极电流的(de)控制作用(yong)。gm的(de)量纲为(wei)mA/V，所(suo)以gm也(ye)称为(wei)跨(kua)导。跨(kua)导。

mos管工作(zuo)(zuo)原理通俗易(yi)懂，MOS管工作(zuo)(zuo)原理动(dong)画2—54(a)为(wei)N沟道(dao)增强型MOS管工作(zuo)(zuo)原理动(dong)画图，其电路符号如图2—54(b)所示(shi)(shi)。它是(shi)(shi)用(yong)(yong)(yong)一(yi)块(kuai)掺杂浓度(du)(du)较低的P型硅(gui)片(pian)作(zuo)(zuo)为(wei)衬(chen)(chen)底(di)，利用(yong)(yong)(yong)扩散工艺在衬(chen)(chen)底(di)上(shang)扩散两个(ge)高掺杂浓度(du)(du)的N型区(用(yong)(yong)(yong)N+表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi))，并在此N型区上(shang)引(yin)出(chu)两个(ge)欧姆接触电极(ji)(ji)(ji)(ji)，分别称(cheng)为(wei)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)(ji)(用(yong)(yong)(yong)S表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi))和漏(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)(用(yong)(yong)(yong)D表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi))。在源(yuan)区、漏(lou)区之间的衬(chen)(chen)底(di)表(biao)(biao)(biao)面覆盖一(yi)层(ceng)二(er)氧化硅(gui)(SiO2)绝(jue)缘层(ceng)，在此绝(jue)缘层(ceng)上(shang)沉积出(chu)金属铝层(ceng)并引(yin)出(chu)电极(ji)(ji)(ji)(ji)作(zuo)(zuo)为(wei)栅极(ji)(ji)(ji)(ji)(用(yong)(yong)(yong)G表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi))。从衬(chen)(chen)底(di)引(yin)出(chu)一(yi)个(ge)欧姆接触电极(ji)(ji)(ji)(ji)称(cheng)为(wei)衬(chen)(chen)底(di)电极(ji)(ji)(ji)(ji)(用(yong)(yong)(yong)B表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi))。由于栅极(ji)(ji)(ji)(ji)与其它电极(ji)(ji)(ji)(ji)之间是(shi)(shi)相互绝(jue)缘的，所以称(cheng)它为(wei)绝(jue)缘栅型场效(xiao)应(ying)管。MOS管工作(zuo)(zuo)原理动(dong)画图2—54(a)中(zhong)的L为(wei)沟道(dao)长(zhang)度(du)(du)，W为(wei)沟道(dao)宽度(du)(du)。

mos管工作原(yuan)理通俗易懂，当栅(zha)极G和源极S之(zhi)间不加任(ren)何(he)电压(ya)，即(ji)UGS=0时,由于漏(lou)极和源极两个N+型区(qu)之(zhi)间隔有P型衬底，相当于两个背靠(kao)背连接的(de)PN结，它们之(zhi)间的(de)电阻高(gao)达(da)1012W的(de)数量(liang)级(ji)，也(ye)就是说D、S之(zhi)间不具备导电的(de)沟道，所以无论漏(lou)、源极之(zhi)间加何(he)种极性的(de)电压(ya)，都不会产生(sheng)漏(lou)极电流ID。

当将衬(chen)(chen)底(di)(di)B与(yu)源极(ji)(ji)S短(duan)接，在(zai)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)G和源极(ji)(ji)S之(zhi)间(jian)加(jia)正电(dian)压(ya)，即UGS﹥0时(shi),MOS管工(gong)(gong)作原理动(dong)画(hua)图(tu)2—55(a)所(suo)示(shi)，则在(zai)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)与(yu)衬(chen)(chen)底(di)(di)之(zhi)间(jian)产生一个由(you)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)指向衬(chen)(chen)底(di)(di)的(de)电(dian)场(chang)。在(zai)这(zhei)个电(dian)场(chang)的(de)作用下，P衬(chen)(chen)底(di)(di)表(biao)(biao)面(mian)(mian)附近的(de)空(kong)穴(xue)受到排斥(chi)将向下方运动(dong)，电(dian)子受电(dian)场(chang)的(de)吸引(yin)向衬(chen)(chen)底(di)(di)表(biao)(biao)面(mian)(mian)运动(dong)，与(yu)衬(chen)(chen)底(di)(di)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)空(kong)穴(xue)复合(he)，形(xing)成(cheng)了一层耗(hao)尽层。如果进(jin)一步提高UGS电(dian)压(ya)，使(shi)UGS达到某一电(dian)压(ya)UT时(shi)，P衬(chen)(chen)底(di)(di)表(biao)(biao)面(mian)(mian)层中空(kong)穴(xue)全(quan)部被(bei)排斥(chi)和耗(hao)尽，而自由(you)电(dian)子大量地(di)被(bei)吸引(yin)到表(biao)(biao)面(mian)(mian)层，由(you)量变(bian)到质变(bian)，使(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)层变(bian)成(cheng)了自由(you)电(dian)子为(wei)多(duo)子的(de)N型(xing)(xing)(xing)层，称为(wei)“反型(xing)(xing)(xing)层”，MOS管工(gong)(gong)作原理动(dong)画(hua)图(tu)2—55(b)所(suo)示(shi)。反型(xing)(xing)(xing)层将漏极(ji)(ji)D和源极(ji)(ji)S两个N+型(xing)(xing)(xing)区相连通(tong)，构成(cheng)了漏、源极(ji)(ji)之(zhi)间(jian)的(de)N型(xing)(xing)(xing)导电(dian)沟(gou)(gou)道。把开始形(xing)成(cheng)导电(dian)沟(gou)(gou)道所(suo)需的(de)UGS值称为(wei)阈值电(dian)压(ya)或开启电(dian)压(ya)，用UT表(biao)(biao)示(shi)。显然(ran)，只有UGS﹥UT时(shi)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(de)导通(tong)电(dian)阻越(yue)(yue)小，导电(dian)能力越(yue)(yue)强。这(zhei)就是(shi)为(wei)什么把它称为(wei)增强型(xing)(xing)(xing)的(de)缘故。

mos管工作原理通俗易懂，在UGS﹥UT的(de)条(tiao)件下(xia)，如果在漏(lou)(lou)(lou)(lou)(lou)极D和源(yuan)极S之间加上正电(dian)(dian)压UDS，导电(dian)(dian)沟道(dao)就(jiu)会(hui)有电(dian)(dian)流流通。漏(lou)(lou)(lou)(lou)(lou)极电(dian)(dian)流由漏(lou)(lou)(lou)(lou)(lou)区流向源(yuan)区，因为(wei)沟道(dao)有一定(ding)的(de)电(dian)(dian)阻，所以沿(yan)着沟道(dao)产生(sheng)电(dian)(dian)压降，使(shi)沟道(dao)各点(dian)的(de)电(dian)(dian)位沿(yan)沟道(dao)由漏(lou)(lou)(lou)(lou)(lou)区到源(yuan)区逐渐减小，靠近漏(lou)(lou)(lou)(lou)(lou)区一端(duan)的(de)电(dian)(dian)压UGD最小，其值为(wei)UGD=UGS-UDS,相(xiang)应(ying)的(de)沟道(dao)最薄;靠近源(yuan)区一端(duan)的(de)电(dian)(dian)压最大(da)，等于UGS,相(xiang)应(ying)的(de)沟道(dao)最厚。这样(yang)就(jiu)使(shi)得沟道(dao)厚度不再是均(jun)匀的(de)，整(zheng)个沟道(dao)呈倾斜状。随(sui)着UDS的(de)增大(da)，靠近漏(lou)(lou)(lou)(lou)(lou)区一端(duan)的(de)沟道(dao)越(yue)来越(yue)薄。

当UDS增(zeng)大(da)到(dao)(dao)(dao)某一临界值，使UGD≤UT时(shi)，漏端的(de)沟(gou)道消失(shi)，只(zhi)剩下耗尽(jin)层，把这种情况称为沟(gou)道“预夹(jia)(jia)断(duan)(duan)”，MOS管(guan)工作(zuo)原理动(dong)(dong)(dong)画图2—56(a)所示(shi)(shi)。继续(xu)增(zeng)大(da)UDS(即UDS>UGS-UT)，夹(jia)(jia)断(duan)(duan)点(dian)向(xiang)(xiang)源(yuan)极(ji)方向(xiang)(xiang)移(yi)(yi)动(dong)(dong)(dong)，MOS管(guan)工作(zuo)原理动(dong)(dong)(dong)画图2—56(b)所示(shi)(shi)。尽(jin)管(guan)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)点(dian)在移(yi)(yi)动(dong)(dong)(dong)，但沟(gou)道区(qu)(源(yuan)极(ji)S到(dao)(dao)(dao)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)点(dian))的(de)电压降(jiang)保持不(bu)变，仍等(deng)于UGS-UT。因此(ci),UDS多余部(bu)分电压[UDS-(UGS-UT)]全部(bu)降(jiang)到(dao)(dao)(dao)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)区(qu)上，在夹(jia)(jia)断(duan)(duan)区(qu)内形成较强(qiang)的(de)电场(chang)。这时(shi)电子(zi)沿(yan)沟(gou)道从源(yuan)极(ji)流向(xiang)(xiang)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)区(qu)，当电子(zi)到(dao)(dao)(dao)达夹(jia)(jia)断(duan)(duan)区(qu)边缘时(shi)，受夹(jia)(jia)断(duan)(duan)区(qu)强(qiang)电场(chang)的(de)作(zuo)用(yong)，会很快(kuai)的(de)漂移(yi)(yi)到(dao)(dao)(dao)漏极(ji)。

耗(hao)尽型。耗(hao)尽型是指，当VGS=0时(shi)即形(xing)成沟(gou)道(dao)，加上正确的VGS时(shi)，能使多数(shu)载流子(zi)(zi)流出沟(gou)道(dao)，因而(er)“耗(hao)尽”了载流子(zi)(zi)，使管子(zi)(zi)转向截止。

耗(hao)尽型(xing)MOS场效应管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的(de)正(zheng)离子，因此，在UGS=0时(shi)，这些正(zheng)离子产生的(de)电(dian)(dian)场也能(neng)在P型(xing)衬底中“感应”出足够的(de)电(dian)(dian)子，形成N型(xing)导电(dian)(dian)沟道。

mos管(guan)工(gong)作(zuo)原理通(tong)俗易懂，当(dang)UDS>0时，将产(chan)生较大的(de)(de)(de)(de)(de)漏(lou)极电流ID。如果使(shi)UGS<0，则(ze)它将削弱(ruo)正离子(zi)所形(xing)成的(de)(de)(de)(de)(de)电场(chang)，使(shi)N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)变窄，从而使(shi)ID减(jian)小。当(dang)UGS更负，达到某一(yi)数值时沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)消失，ID=0。使(shi)ID=0的(de)(de)(de)(de)(de)UGS我们也称(cheng)为夹断电压(ya)，仍(reng)用UP表示(shi)(shi)。UGSN沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOSFET的(de)(de)(de)(de)(de)结(jie)构(gou)与增强型(xing)MOSFET结(jie)构(gou)类似，只有一(yi)点不(bu)同，就是N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOSFET在(zai)栅极电压(ya)uGS=0时，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)已(yi)经存(cun)在(zai)。该(gai)N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)是在(zai)制(zhi)造过程(cheng)中应用离子(zi)注入法预(yu)先在(zai)衬(chen)底的(de)(de)(de)(de)(de)表面，在(zai)D、S之(zhi)间制(zhi)造的(de)(de)(de)(de)(de)，称(cheng)之(zhi)为初始沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)。N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOSFET的(de)(de)(de)(de)(de)结(jie)构(gou)和符号如MOS管(guan)工(gong)作(zuo)原理动画1.(a)所示(shi)(shi)，它是在(zai)栅极下方的(de)(de)(de)(de)(de)SiO2绝缘(yuan)层(ceng)中掺入了(le)大量的(de)(de)(de)(de)(de)金属正离子(zi)。

所以当VGS=0时(shi)，这(zhei)些正离子已经感(gan)应出反型层，形(xing)成了(le)沟道(dao)。于是，只要有(you)漏(lou)(lou)源(yuan)电压，就有(you)漏(lou)(lou)极(ji)电流存在。当VGS>0时(shi)，将使(shi)ID进(jin)一步增加。VGS<0时(shi)，随(sui)着VGS的(de)减小(xiao)漏(lou)(lou)极(ji)电流逐(zhu)渐减小(xiao)，直至(zhi)ID=0。对应ID=0的(de)VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表(biao)(biao)示(shi)，有(you)时(shi)也用VP表(biao)(biao)示(shi)。N沟道(dao)耗尽型MOSFET的(de)转移特性(xing)曲(qu)线如图(tu)1.(b)所示(shi)。

mos管工作原(yuan)理通俗(su)易懂(dong)，由(you)于(yu)耗尽(jin)型(xing)MOSFET在uGS=0时，漏源之间(jian)的(de)沟(gou)道(dao)已经(jing)存在，所以(yi)只要加(jia)(jia)上uDS,就有iD流通。如(ru)果增加(jia)(jia)正向栅(zha)压uGS，栅(zha)极与衬底之间(jian)的(de)电(dian)场将使沟(gou)道(dao)中感(gan)应更多的(de)电(dian)子(zi)，沟(gou)道(dao)变厚，沟(gou)道(dao)的(de)电(dian)导增大。

如果(guo)在(zai)栅(zha)极加负(fu)电(dian)压(ya)(ya)(即(ji)(ji)(ji)uGS<0=，就会(hui)在(zai)相对(dui)应的(de)(de)衬底(di)表面(mian)感应出(chu)正(zheng)电(dian)荷，这(zhei)些正(zheng)电(dian)荷抵消N沟(gou)道(dao)(dao)中的(de)(de)电(dian)子，从(cong)而在(zai)衬底(di)表面(mian)产(chan)(chan)生(sheng)一个耗尽(jin)层，使(shi)沟(gou)道(dao)(dao)变窄，沟(gou)道(dao)(dao)电(dian)导(dao)减小。当负(fu)栅(zha)压(ya)(ya)增大到(dao)某一电(dian)压(ya)(ya)Up时，耗尽(jin)区扩(kuo)展到(dao)整个沟(gou)道(dao)(dao)，沟(gou)道(dao)(dao)完全被夹断(耗尽(jin))，这(zhei)时即(ji)(ji)(ji)使(shi)uDS仍存(cun)在(zai)，也不会(hui)产(chan)(chan)生(sheng)漏极电(dian)流，即(ji)(ji)(ji)iD=0。UP称为(wei)夹断电(dian)压(ya)(ya)或阈值(zhi)电(dian)压(ya)(ya)，其值(zhi)通常在(zai)–1V–10V之间N沟(gou)道(dao)(dao)耗尽(jin)型(xing)MOSFET的(de)(de)输出(chu)特(te)(te)性(xing)曲(qu)线和转移特(te)(te)性(xing)曲(qu)线分别如图2—60(a)、(b)所示。

在可变(bian)电阻区内，iD与uDS、uGS的关(guan)系仍为

在(zai)恒流(liu)区，iD与(yu)uGS的关系(xi)仍(reng)满足(zu)式(2—81)，即

若考(kao)虑uDS的影响，iD可近(jin)似为

对耗尽型场(chang)效应管来(lai)说，式(shi)(2—84)也可表示(shi)为

式(shi)中，IDSS称为(wei)uGS=0时(shi)的(de)饱和漏(lou)电流，其值(zhi)为(wei)

mos管工作(zuo)原(yuan)理通俗易懂(dong)，P沟(gou)道MOSFET的工作(zuo)原(yuan)理与(yu)N沟(gou)道MOSFET完(wan)全(quan)相(xiang)同(tong)(tong)，只不过(guo)导电(dian)的载流子(zi)不同(tong)(tong)，供电(dian)电(dian)压极(ji)性不同(tong)(tong)而已。这如同(tong)(tong)双极(ji)型(xing)三(san)极(ji)管有NPN型(xing)和PNP型(xing)一样。

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