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絕緣柵型場效應管

信息來源:本站 日期:2017-04-13 

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絕緣柵型場效應管

在結型場效應管中,柵極和溝道間的PN結是反向偏置的,所以輸入電阻很大。但PN結反偏時總會有一些反向電流存在,這就限制了輸入電阻的進一步提高。如果在柵極與溝道間用一絕緣層隔開,便制成了絕緣柵型場效應管,其輸入電阻可提高到。根據絕緣層所用材料之不同,絕緣柵場效應管有多種類型,目前應用最廣泛的一種是以二氧化硅(SiO2)為絕緣層的金屬一氧化物一半導體(Meial-Oxide-Semiconductor)場效應管,簡稱MOS場效應管(MOSFET)。它也有N溝道和P溝道兩類,每類按結構不同又分為增強型和耗盡型。


一、耗盡型MOS管

N溝道耗盡型MOS管和N溝道增強型MOS管的結構基本相同。差別在于耗盡型MOS管的SiO2絕緣層中摻有大量的正離子,故在UGS= 0時,就在兩個N十區之間的P型表面層中感應出大量的電子來,形成一定寬度的導電溝道。這時,只要UDS>0就會產生ID。對于N溝道耗盡型MOS管,無論UGS為正或負,都能控制ID的大小,并且不出現柵流。這是耗盡型MOS管區別于增強型MOS管的主要特點。

二、增強型MOS管


1.結構與符號

圖Z0125是N溝道增強型MOS管的結構示意圖和符號。它是在一塊P型硅襯底上,擴散兩個高濃度摻雜的N+區,在兩個N+區之間的硅表面上制作一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層,然后在SiO2和兩個N型區表面上分別引出三個電極,稱為源極s、柵極g和漏極d。在其圖形符號中,箭頭表示漏極電流的實際方向。

2.輸出特性曲線

N溝道增強型MOS管輸出特性曲線如圖Z0127所示,它是UGS為不同定值時,ID 與UDS之間關系的一簇曲線。由圖可見,各條曲線變化規律基本相同?,F以UGS=5V一條曲線為例來進行分析。設UGS>VT,導電溝道已形成。當UDS= 0時,溝道里沒有電子的定向運動,ID=0;當UDS>0且較小時,溝道基本保持原狀,表現出一定電阻,ID隨UDS線性增大 ;當UDS較大時,由于電阻沿溝道遞增,使UDS沿溝道的電位從漏端到源端遞降,所以沿溝道的各點上,柵極與溝道間的電位差沿溝道從d至s極遞增,導致垂直于P型硅表面的電場強度從d至s極也遞增,從而形成溝道寬度不均勻,漏端最窄,源端最寬如圖Z0126所示。隨著UDS的增加,漏端溝道變得更窄,電阻相應變大,ID上升變慢 ;當UDS繼續增大到UDS=UGS- VT時,近漏端的溝道開始消失,漏端一點處被夾斷;如果UDS再增加,將出現夾斷區。這時,UDS增加的部分基本上降在夾斷區上,使夾斷部分的耗盡層變得更厚,而未夾斷的導電溝道不再有多大變化,所以ID將維持剛出現夾斷時的數值,趨于飽和,管子呈現恒流特性。

對于不同的UGS值,溝道深淺也不同,UGS愈大,溝道愈深。在恒流區,對于相同的UDS 值,UGS大的ID也較大,表現為輸出特性曲線上移。

3.工作原理

絕緣柵場效應管的導電機理是,利用UGS 控制"感應電荷"的多少來改變導電溝道的寬窄,從而控制漏極電流ID。若UGS=0時,源、漏之間不存在導電溝道的為增強型MOS管,UGS=0 時,漏、源之間存在導電溝道的為耗盡型MOS管。

圖Z0125中襯底為P型半導體,在它的上面是一層SiO2薄膜、在SiO2薄膜上蓋一層金屬鋁,如果在金屬鋁層和半導體之間加電壓UGS,則金屬鋁與半導體之間產生一個垂直于半導體表面的電場,在這一電場作用下,P型硅表面的多數載流子-空穴受到排斥,使硅片表面產生一層缺乏載流子的薄層。同時在電場作用下,P型半導體中的少數載流子-電子被吸引到半導體的表面,并被空穴所俘獲而形成負離子,組成不可移動的空間電荷層(稱耗盡層又叫受主離子層)。UGS愈大,電場排斥硅表面層中的空穴愈多,則耗盡層愈寬,且UGS愈大,電場愈強;當UGS 增大到某一柵源電壓值VT(叫臨界電壓或開啟電壓)時,則電場在排斥半導體表面層的多數載流子-空穴形成耗盡層之后,就會吸引少數載流子-電子,繼而在表面層內形成電子的積累,從而使原來為空穴占多數的P型半導體表面形成了N型薄層。由于與P型襯底的導電類型相反,故稱為反型層。在反型層下才是負離子組成的耗盡層。這一N型電子層,把原來被PN結高阻層隔開的源區和漏區連接起來,形成導電溝道。

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