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绝缘栅型场效应管

鏃ユ湡;2019-08-22  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  绝缘型场效应管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,因此而得名。又因栅极为金属铝,故又称为MOS管。金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管。它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管大得多,可达1010Ω以上,还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时温度简单,而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。

  与结型场效应管相同,MOS管也有N沟道和P沟道两类,但每一类又分为增强型和耗尽型两种,因此MOS管的四种类型为:N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管,凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。

  N沟道增强型MOS管的结构示意图如下。它以一块低参杂的P型硅片为衬底,利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区,并引出两个电极,分别为源极s和漏极d,半导体上制作一层SiO2绝缘层,再在SiO2之上制作一层金属铝,引出电极,作为栅极g。通常将衬底和源极接在一起使用。这样,栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘层,形成电容。当栅极和源极电压变化时,将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。

  当UDS=0且UGS

  0时,由于SiO2绝缘层的存在,栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷,他们排斥P型衬底靠近SiO2绝缘层侧的空穴,使之剩下不能移动的负离子区,形成耗尽层。当UGS增大时,一方面耗尽层增宽,另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,形成一个N层薄区,称为反型层。这个反型层就构成了漏极-源极之间的导电通道。使沟道刚刚形成的栅极-源极电压称为开启电压UGS(th)。UGS越大,反型层越宽,导电沟道电阻愈小。

  当UGS是大于UGS(th)的一个确定值时,若在d-s之间加正向电压,则将产生一定的漏极电流。当UDS较小时,UDS的增大使iD线性增加,沟道沿源-漏方向逐渐变窄,一旦UDS增加到使UGD=UGS(th)(即UDS=UGS-UGS(th))时,沟道在漏极一侧出现夹断点,称为欲夹断。如果UDS继续增大,夹断区随之延长。而且UDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。从外面看,iD几乎不因UDS的增大而变化,管子进入横流区,iD几乎仅决定于UGS。

  N沟道增强型MOS管的结构,在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。

  若vGS

  0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。 排斥空穴使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层。吸引电子将 P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。

  导电沟道的形成,当vGS数值较小,吸引电子的能力不强时,漏——源极之间仍无导电沟道出现,如图1(b)所示。vGS增加时,吸引到P衬底表面层的电子就增多,当vGS达到某一数值时,这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层,且与两个N+区相连通,在漏——源极间形成N型导电沟道,其导电类型与P衬底相反,故又称为反型层,如图1(c)所示。vGS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道电阻越小。开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压,用VT表示。

  如图(a)所示,当vGS

  VT且为一确定值时,漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,这里沟道最厚,而漏极一端电压最小,其值为VGD=vGS-vDS,因而这里沟道最薄。但当vDS较小(vDS

  随着vDS的增大,靠近漏极的沟道越来越薄,当vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断,如图2(b)所示。再继续增大vDS,夹断点将向源极方向移动,如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区,故iD几乎不随vDS增大而增加,管子进入饱和区,iD几乎仅由vGS决定。


 
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