圖1 N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號
MOS場效應三極管分為:增強型(又有N溝道、P溝道之分)及耗盡型(分有N溝道、P溝道)。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見圖1。其中:電極 D(Drain) 稱為漏極,相當雙極型三極管的集電極; 電極 G(Gate) 稱為(wei) 柵極,相當於(yu) 的基極;
電極 S(Source)稱為(wei) 源極,相當於(yu) 發射極。
1.N溝道增強型MOSFET
(1)結構
根據圖1,N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構,它是在P型半導體(ti) 上生成一層SiO2 薄膜絕緣層,然後用光刻工藝擴散兩(liang) 個(ge) 高摻雜的N型區,從(cong) N型區引出電極,一個(ge) 是漏極D,一個(ge) 是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為(wei) 柵極G。P型半導體(ti) 稱為(wei) 襯底,用符號B表示 (2)工作原理
① 柵源電壓VGS的控製作用
當VGS=0 V時,漏源之間相當兩(liang) 個(ge) 背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓不會(hui) 在D、S間形成電流。
當柵極加有電壓時,若0<VGS<VGS(th)時,通過柵極和襯底間的電容作用,將靠近柵極下方的P型半導體(ti) 中的空穴向下方排斥,出現了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動,但數量有限,不足以形成溝道,將漏極和源極溝通,所以仍然不足以形成漏極電流ID。
進一步增加VGS,當VGS>VGS(th)時( VGS(th) 稱為(wei) 開啟電壓),由於(yu) 此時的柵極電壓已經比較強,在靠近柵極下方的P型半導體(ti) 表層中聚集較多的電子,可以形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子,因與(yu) P型半導體(ti) 的載流子空穴極性相反,故稱為(wei) 反型層。隨著VGS的繼續增加,ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0,隻有當VGS>VGS(th)後才會(hui) 出現漏極電流,這種MOS管稱為(wei) 增強型MOS管。 VGS對漏極電流的控製關(guan) 係可用iD=f(vGS)|VDS=const這一曲線描述,稱為(wei) 轉移特性曲線,見圖2。
轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控製作用。 gm 的量綱為(wei) mA/V,所以gm也稱為(wei) 跨導。
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圖2 轉移特性曲線 |
跨導的定義(yi) 式如下:
gm=△ID/△VGS|VDS=const (單位mS) (1)
②漏源電壓VDS對漏極電流ID的控製作用
當VGS>VGS(th),且固定為(wei) 某一值時,來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖33所示。根據此圖可以有如下關(guan) 係
VDS=VDG+VGS= -VGD+VGS
VGD=VGS-VDS
當VDS為(wei) 0或較小時,相當VGD>VGS(th),溝道分布如圖3 (a),此時VDS 基本均勻降落在溝道中,溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處,溝道達到開啟的程度以上,漏源之間有電流通過。
當VDS增加到使VGD=VGS(th)時,溝道如圖3(b)所示。這相當於(yu) VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況,稱為(wei) 預夾斷,此時的漏極電流ID基本飽和。當VDS增加到VGD<VGS(th)時,溝道如圖3 (c)所示。此時預夾斷區域加長,伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上, ID基本趨於(yu) 不變。
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圖3 漏源電壓VDS對溝道的影響 |
當VGS>VGS(th),且固定為(wei) 某一值時,VDS對ID的影響, 即iD=f(VDS)|VGS=const這一關(guan) 係曲線如圖4所示。這一曲線稱為(wei) 漏極輸出特性曲線。
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(a) 輸出特性曲線 (b)轉移特性曲線 圖4 漏極輸出特性曲線和轉移特性曲線 |
2.N溝道耗盡型MOSFET
N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖5(a)所示,它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時,這些正離子已經感應出反型層,形成了溝道。於(yu) 是,隻要有漏源電壓,就有漏極電流存在。當VGS>0時,將使ID進一步增加。VGS<0時,隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為(wei) 夾斷電壓,用符號VGS(off)表示,有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線如圖5(b)所示。
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(a) 結構示意圖 (b) 符號 (c)轉移特性曲線 圖5 N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線 |
3.P溝道耗盡型MOSFET
P溝道MOSFET的工作原理與(yu) N溝道MOSFET完全相同,隻不過導電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。