增强型绝缘栅场效应管工作原理与耗尽型MOS场效应管—KIA MOS管

绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性

增(zeng)强型绝缘(yuan)(yuan)栅场(chang)(chang)(chang)效(xiao)(xiao)应管，场(chang)(chang)(chang)效(xiao)(xiao)应管(MOSFET)是一种(zhong)外形与普通晶体(ti)管相似，但控制特(te)性不(bu)同(tong)的半导(dao)体(ti)器(qi)件。它的输入(ru)电阻可高达1015 W，而且制造(zao)工艺简单(dan)，适用于(yu)制造(zao)大规模(mo)及超大规模(mo)集成电路(lu)。场(chang)(chang)(chang)效(xiao)(xiao)应管也(ye)称为MOS管，按(an)其结构不(bu)同(tong)，分为结型场(chang)(chang)(chang)效(xiao)(xiao)应晶体(ti)管和绝缘(yuan)(yuan)栅场(chang)(chang)(chang)效(xiao)(xiao)应晶体(ti)管两种(zhong)类型。在(zai)本(ben)文只简单(dan)介绍后(hou)一种(zhong)场(chang)(chang)(chang)效(xiao)(xiao)应晶体(ti)管。 绝缘(yuan)(yuan)栅场(chang)(chang)(chang)效(xiao)(xiao)应晶体(ti)管按(an)其结构不(bu)同(tong)，分为N沟道和P沟道两种(zhong)。每(mei)种(zhong)又有增(zeng)强型和耗(hao)尽型两类。

下(xia)面简单介绍它(ta)们的(de)(de)工(gong)作(zuo)原理。1、增强(qiang)型绝(jue)缘栅(zha)场(chang)效(xiao)应管(guan)(guan)。2、图(tu)1是(shi)(shi)N沟(gou)(gou)道增强(qiang)型绝(jue)缘栅(zha)场(chang)效(xiao)应管(guan)(guan)示意图(tu)。 在(zai)(zai)(zai)一块(kuai)掺(chan)(chan)杂浓度较低(di)的(de)(de)P型硅衬(chen)底上(shang)，用(yong)光刻(ke)、扩散工(gong)艺制作(zuo)两个(ge)高(gao)掺(chan)(chan)杂浓度的(de)(de)N+区，并用(yong)金(jin)属(shu)铝(lv)引出(chu)两个(ge)电(dian)极(ji)，称为漏(lou)极(ji)D和源(yuan)极(ji)S如(ru)图(tu)1(a)所示。然后在(zai)(zai)(zai)半(ban)导体表(biao)面覆盖一层(ceng)很(hen)薄的(de)(de)二氧化(hua)硅(SiO2)绝(jue)缘层(ceng)，在(zai)(zai)(zai)漏(lou)-源(yuan)极(ji)间的(de)(de)绝(jue)缘层(ceng)上(shang)再装一个(ge)铝(lv)电(dian)极(ji)，称为栅(zha)极(ji)G。另外在(zai)(zai)(zai)衬(chen)底上(shang)也引出(chu)一个(ge)电(dian)极(ji)B，这就构(gou)成了一个(ge)N沟(gou)(gou)道增强(qiang)型MOS管(guan)(guan)。它(ta)的(de)(de)栅(zha)极(ji)与其他电(dian)极(ji)间是(shi)(shi)绝(jue)缘的(de)(de)。图(tu)1(b)所示是(shi)(shi)它(ta)的(de)(de)符号(hao)。其箭头方向(xiang)表(biao)示由(you)P(衬(chen)底)指向(xiang)N(沟(gou)(gou)道)。

图1 N沟道增强型场效应(ying)管(guan)

增强(qiang)型(xing)绝缘栅场(chang)效应管(guan)，场(chang)效应管(guan)的(de)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)衬底通常是接在一起的(de)(大多数场(chang)效应管(guan)在出厂(chang)前已联结(jie)好)。从图1(a)可以看出，漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)D和(he)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)(ji)S之间被P型(xing)存(cun)底隔开，则漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)D和(he)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)(ji)S之间是两个背(bei)靠背(bei)的(de)PN结(jie)。当栅-源(yuan)电(dian)(dian)(dian)压UGS=0时(shi)，即(ji)使加(jia)(jia)上漏(lou)(lou)-源(yuan)电(dian)(dian)(dian)压UDS，而(er)且不(bu)论(lun)UDS的(de)极(ji)(ji)(ji)(ji)性(xing)如何，总有(you)一个PN结(jie)处于反(fan)偏状态，漏(lou)(lou)-源(yuan)极(ji)(ji)(ji)(ji)间没有(you)导电(dian)(dian)(dian)沟道，所(suo)以这(zhei)时(shi)漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)流ID≈0。 若(ruo)在栅-源(yuan)极(ji)(ji)(ji)(ji)间加(jia)(jia)上正向(xiang)电(dian)(dian)(dian)压，即(ji)UGS＞0，则栅极(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)衬底之间的(de)SiO2绝缘层(ceng)中(zhong)便(bian)产(chan)生一个垂直于半导体表面(mian)的(de)由栅极(ji)(ji)(ji)(ji)指(zhi)向(xiang)衬底的(de)电(dian)(dian)(dian)场(chang)，这(zhei)个电(dian)(dian)(dian)场(chang)能(neng)排斥(chi)空穴而(er)吸(xi)引(yin)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)，因而(er)使栅极(ji)(ji)(ji)(ji)附(fu)近的(de)P型(xing)衬底中(zhong)的(de)空穴被排斥(chi)，剩下不(bu)能(neng)移动的(de)受主离子(zi)(zi)(负(fu)离子(zi)(zi))，形成耗尽层(ceng)，同时(shi)P衬底中(zhong)的(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(少子(zi)(zi))被吸(xi)引(yin)到(dao)衬底表面(mian)。

当UGS数值(zhi)较小，吸引电(dian)子的能力(li)不强时(shi)(shi)，漏-源(yuan)极(ji)(ji)之间仍无导(dao)(dao)(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)出现，如图(tu)(tu)1(b)所示。UGS增加(jia)时(shi)(shi)，吸引到(dao)P衬底表(biao)面层的电(dian)子就增多(duo)，当UGS达到(dao)某一数值(zhi)时(shi)(shi)，这(zhei)些电(dian)子在栅极(ji)(ji)附近的P衬底表(biao)面便形成一个N型(xing)薄层，且与(yu)两(liang)个N+区(qu)相连(lian)通，在漏-源(yuan)极(ji)(ji)间形成N型(xing)导(dao)(dao)(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)，其导(dao)(dao)(dao)电(dian)类型(xing)与(yu)P衬底相反，故又称为(wei)反型(xing)层，如图(tu)(tu)1所示。UGS越(yue)大，作用(yong)于半导(dao)(dao)(dao)体表(biao)面的电(dian)场就越(yue)强，吸引到(dao)P衬底表(biao)面的电(dian)子就越(yue)多(duo)，导(dao)(dao)(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)越(yue)厚，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)电(dian)阻越(yue)小。我们把开始形成沟(gou)(gou)道(dao)(dao)时(shi)(shi)的栅-源(yuan)极(ji)(ji)电(dian)压称为(wei)开启电(dian)压，用(yong)UT表(biao)示。

图2 N沟道(dao)增(zeng)强型场(chang)效应管的沟道(dao)形成图

由上(shang)述(shu)分析(xi)可(ke)知，N沟(gou)道(dao)(dao)(dao)增(zeng)(zeng)强型场效应管(guan)在UGS＜UT时(shi)，不能形成(cheng)导(dao)电沟(gou)道(dao)(dao)(dao)，场效应管(guan)处于截止状态。只有(you)当UGS≥UT时(shi)，才(cai)有(you)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)形成(cheng)，此(ci)时(shi)在漏(lou)-源极间加上(shang)正向电压(ya)UDS，才(cai)有(you)漏(lou)极电流ID产生。而且UGS增(zeng)(zeng)大(da)时(shi)，沟(gou)道(dao)(dao)(dao)变厚，沟(gou)道(dao)(dao)(dao)电阻减小，ID增(zeng)(zeng)大(da)。这(zhei)是(shi)N沟(gou)道(dao)(dao)(dao)增(zeng)(zeng)强型场效应管(guan)的栅极电压(ya)控制的作用，因此(ci)，场效应管(guan)通常(chang)也(ye)称为压(ya)控三极管(guan)。

增强型、耗尽型MOS场效应管

增强型(xing)绝缘栅场效应(ying)管，根据(ju)导电(dian)方式的不同，MOSFET又分增强型(xing)、耗尽型(xing)。所谓增强型(xing)是(shi)指(zhi)：当(dang)VGS=0时管子是(shi)呈截止(zhi)状态(tai)，加(jia)上正确(que)的VGS后，多数(shu)载(zai)流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域(yu)的载(zai)流子，形(xing)成导电(dian)沟道(dao)。N沟道增强(qiang)型(xing)MOSFET基本上是(shi)(shi)一(yi)(yi)种(zhong)左右对称的(de)(de)拓扑结构(gou)，它是(shi)(shi)在P型(xing)半(ban)导体(ti)上生成一(yi)(yi)层SiO2 薄膜绝(jue)(jue)缘层，然后用光刻工艺扩散(san)两个高掺(chan)杂的(de)(de)N型(xing)区，从N型(xing)区引出(chu)电极(ji)，一(yi)(yi)个是(shi)(shi)漏极(ji)D，一(yi)(yi)个是(shi)(shi)源(yuan)极(ji)S。在源(yuan)极(ji)和漏极(ji)之间(jian)的(de)(de)绝(jue)(jue)缘层上镀一(yi)(yi)层金属铝作(zuo)为栅极(ji)G。

当VGS＝0 V时，漏源之(zhi)间(jian)(jian)(jian)相当两(liang)个背(bei)(bei)靠背(bei)(bei)的二极管(guan)，在(zai)D、S之(zhi)间(jian)(jian)(jian)加上电(dian)压(ya)不会在(zai)D、S间(jian)(jian)(jian)形成电(dian)流。栅(zha)极(ji)(ji)(ji)加有电(dian)压时(shi)，若(ruo)0＜VGS＜VGS(th)时(shi)，通过栅(zha)极(ji)(ji)(ji)和衬底间(jian)形成(cheng)的(de)电(dian)容(rong)电(dian)场作用，将(jiang)靠近栅(zha)极(ji)(ji)(ji)下方的(de)P型半导(dao)体中的(de)多子(zi)空穴向(xiang)下方排(pai)斥，出现了一薄(bo)层负离子(zi)的(de)耗尽层；同时(shi)将(jiang)吸(xi)引其(qi)中的(de)少子(zi)向(xiang)表层运动，但数量有限，不足以(yi)形成(cheng)导(dao)电(dian)沟道，将(jiang)漏极(ji)(ji)(ji)和源极(ji)(ji)(ji)沟通，所(suo)以(yi)仍然不足以(yi)形成(cheng)漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)流(liu)ID。

进一步(bu)增(zeng)加(jia)VGS，当(dang)VGS＞VGS(th)时（ VGS(th)称为(wei)开启(qi)电(dian)(dian)压），由于(yu)此(ci)时的(de)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)压已经比较强(qiang)，在靠近(jin)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)下方(fang)(fang)的(de)P型(xing)(xing)半(ban)(ban)导体(ti)表层中(zhong)聚(ju)集较多的(de)电(dian)(dian)子，可(ke)以形成(cheng)沟(gou)道(dao)，将漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)和源极(ji)(ji)(ji)(ji)沟(gou)通。如果此(ci)时加(jia)有(you)漏(lou)(lou)源电(dian)(dian)压，就可(ke)以形成(cheng)漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流ID。在栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)下方(fang)(fang)形成(cheng)的(de)导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)中(zhong)的(de)电(dian)(dian)子，因与(yu)P型(xing)(xing)半(ban)(ban)导体(ti)的(de)载流子空穴(xue)极(ji)(ji)(ji)(ji)性相反,故称为(wei)反型(xing)(xing)层。随(sui)着VGS的(de)继(ji)续(xu)增(zeng)加(jia),ID将不断(duan)增(zeng)加(jia)。在VGS＝0V时ID＝0，只有(you)当(dang)VGS＞VGS(th)后才会出现漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流，所以,这种(zhong)MOS管称为(wei)增(zeng)强(qiang)型(xing)(xing)MOS管。

VGS对(dui)漏极电流的(de)控制关(guan)系可用(yong)iD＝f(VGS(th))|VDS=const这一(yi)曲(qu)线描述，称为转移(yi)特性曲(qu)线，见图3。转移特性曲线(xian)的(de)斜率gm的(de)大小反映了栅源电压对漏极(ji)电流的(de)控制作用。 gm的(de)量纲为mA/V，所以gm也称(cheng)为跨导。

图2—54（a）为(wei)N沟道增强型MOSFET的结构示(shi)(shi)意图，其电(dian)(dian)路符(fu)号如(ru)图2—54（b）所(suo)示(shi)(shi)。它是用(yong)(yong)一(yi)块掺(chan)杂(za)浓度(du)较低(di)的P型硅片作为(wei)衬底(di)(di)，利(li)用(yong)(yong)扩散工(gong)艺在衬底(di)(di)上(shang)扩散两个高掺(chan)杂(za)浓度(du)的N型区(qu)（用(yong)(yong)N+表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi)），并在此(ci)(ci)N型区(qu)上(shang)引(yin)出(chu)两个欧姆接触电(dian)(dian)极(ji)，分(fen)别(bie)称(cheng)为(wei)源极(ji)（用(yong)(yong)S表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi)）和漏极(ji)（用(yong)(yong)D表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi)）。在源区(qu)、漏区(qu)之(zhi)间(jian)的衬底(di)(di)表(biao)(biao)(biao)面覆盖一(yi)层(ceng)二氧(yang)化硅（SiO2）绝缘(yuan)(yuan)(yuan)层(ceng)，在此(ci)(ci)绝缘(yuan)(yuan)(yuan)层(ceng)上(shang)沉积出(chu)金(jin)属(shu)铝层(ceng)并引(yin)出(chu)电(dian)(dian)极(ji)作为(wei)栅(zha)极(ji)（用(yong)(yong)G表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi)）。从衬底(di)(di)引(yin)出(chu)一(yi)个欧姆接触电(dian)(dian)极(ji)称(cheng)为(wei)衬底(di)(di)电(dian)(dian)极(ji)（用(yong)(yong)B表(biao)(biao)(biao)示(shi)(shi)）。由于栅(zha)极(ji)与其它电(dian)(dian)极(ji)之(zhi)间(jian)是相互绝缘(yuan)(yuan)(yuan)的，所(suo)以称(cheng)它为(wei)绝缘(yuan)(yuan)(yuan)栅(zha)型场效应管。图2—54（a）中的L为(wei)沟道长(zhang)度(du)，W为(wei)沟道宽度(du)。

图2—54所(suo)(suo)示的MOSFET，当栅极(ji)G和源(yuan)(yuan)极(ji)S之间不(bu)加任何(he)电(dian)(dian)压，即UGS=0时,由于漏极(ji)和源(yuan)(yuan)极(ji)两(liang)个N+型区之间隔有P型衬底，相当于两(liang)个背(bei)(bei)靠背(bei)(bei)连(lian)接的PN结，它们之间的电(dian)(dian)阻高达(da)1012W的数(shu)量级(ji)，也就是说D、S之间不(bu)具备导电(dian)(dian)的沟道，所(suo)(suo)以无论(lun)漏、源(yuan)(yuan)极(ji)之间加何(he)种极(ji)性(xing)的电(dian)(dian)压，都不(bu)会产生漏极(ji)电(dian)(dian)流ID。

当将(jiang)衬底(di)B与(yu)源极(ji)(ji)S短接，在栅(zha)极(ji)(ji)G和源极(ji)(ji)S之(zhi)间加正电(dian)(dian)压，即UGS﹥0时,如图2—55（a）所(suo)示(shi)，则(ze)在栅(zha)极(ji)(ji)与(yu)衬底(di)之(zhi)间产生(sheng)一个(ge)由栅(zha)极(ji)(ji)指向衬底(di)的(de)(de)电(dian)(dian)场。在这个(ge)电(dian)(dian)场的(de)(de)作用下，P衬底(di)表(biao)面(mian)附近的(de)(de)空(kong)穴受到(dao)排斥(chi)(chi)将(jiang)向下方运动，电(dian)(dian)子(zi)受电(dian)(dian)场的(de)(de)吸引向衬底(di)表(biao)面(mian)运动，与(yu)衬底(di)表(biao)面(mian)的(de)(de)空(kong)穴复合，形成(cheng)了一层(ceng)耗尽层(ceng)。如果进一步提(ti)高(gao)UGS电(dian)(dian)压，使UGS达到(dao)某一电(dian)(dian)压UT时，P衬底(di)表(biao)面(mian)层(ceng)中空(kong)穴全(quan)部被排斥(chi)(chi)和耗尽，而自由电(dian)(dian)子(zi)大量地被吸引到(dao)表(biao)面(mian)层(ceng)，由量变到(dao)质变，使表(biao)面(mian)层(ceng)变成(cheng)了自由电(dian)(dian)子(zi)为多子(zi)的(de)(de)N型层(ceng)，称(cheng)为“反(fan)型层(ceng)”，如图2—55（b）所(suo)示(shi)。反(fan)型层(ceng)将(jiang)漏极(ji)(ji)D和源极(ji)(ji)S两个(ge)N+型区相连(lian)通，构成(cheng)了漏、源极(ji)(ji)之(zhi)间的(de)(de)N型导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)(gou)道(dao)。把开始形成(cheng)导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)(gou)道(dao)所(suo)需的(de)(de)UGS值称(cheng)为阈值电(dian)(dian)压或开启(qi)电(dian)(dian)压，用UT表(biao)示(shi)。显然，只有UGS﹥UT时才有沟(gou)(gou)道(dao)，而且(qie)UGS越大，沟(gou)(gou)道(dao)越厚，沟(gou)(gou)道(dao)的(de)(de)导(dao)通电(dian)(dian)阻越小，导(dao)电(dian)(dian)能(neng)力越强。这就是为什么把它称(cheng)为增强型的(de)(de)缘(yuan)故。

耗(hao)(hao)尽型(xing)。耗(hao)(hao)尽型(xing)是指，当VGS=0时(shi)即形成沟(gou)(gou)道，加上正确(que)的VGS时(shi)，能使多数载流子流出沟(gou)(gou)道，因而“耗(hao)(hao)尽”了载流子，使管子转(zhuan)向截(jie)止。耗尽型MOS场效应(ying)管，是在制造过(guo)程(cheng)中(zhong)，预先在SiO2绝缘层中(zhong)掺(chan)入大量的(de)(de)正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生(sheng)的(de)(de)电(dian)场也能(neng)在P型衬底中(zhong)“感应(ying)”出足够(gou)的(de)(de)电(dian)子，形成N型导电(dian)沟道(dao)。

当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。UGS<UP沟道消失，称为耗尽型。

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