絕緣柵場效應晶體管工作原理和特性

增強型絕緣柵場效應管，場效應管(MOSFET)是一種外形與普通晶體管相似，但控制特性不同的半導體器件。它的輸入電阻可高達1015 W，而且制造工藝簡單，適用于制造大規模及超大規模集成電路。場效應管也稱為MOS管，按其結構不同，分為結型場效應晶體管和絕緣柵場效應晶體管兩種類型。在本文只簡單介紹后一種場效應晶體管。 絕緣柵場效應晶體管按其結構不同，分為N溝道和P溝道兩種。每種又有增強型和耗盡型兩類。

下面簡單介紹它們的工作原理。1、增強型絕緣柵場效應管。2、圖1是N溝道增強型絕緣柵場效應管示意圖。 在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，用光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區，并用金屬鋁引出兩個電極，稱為漏極D和源極S如圖1(a)所示。然后在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏-源極間的絕緣層上再裝一個鋁電極，稱為柵極G。另外在襯底上也引出一個電極B，這就構成了一個N溝道增強型MOS管。它的柵極與其他電極間是絕緣的。圖1(b)所示是它的符號。其箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。

圖1 N溝道增強型場效應管

增強型絕緣柵場效應管，場效應管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數場效應管在出廠前已聯結好)。從圖1(a)可以看出，漏極D和源極S之間被P型存底隔開，則漏極D和源極S之間是兩個背靠背的PN結。當柵-源電壓UGS=0時，即使加上漏-源電壓UDS，而且不論UDS的極性如何，總有一個PN結處于反偏狀態，漏-源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流ID≈0。 若在柵-源極間加上正向電壓，即UGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場，這個電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負離子)，形成耗盡層，同時P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。

當UGS數值較小，吸引電子的能力不強時，漏-源極之間仍無導電溝道出現，如圖1(b)所示。UGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當UGS達到某一數值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區相連通，在漏-源極間形成N型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1所示。UGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用UT表示。

圖2 N溝道增強型場效應管的溝道形成圖

由上述分析可知，N溝道增強型場效應管在UGS＜UT時，不能形成導電溝道，場效應管處于截止狀態。只有當UGS≥UT時，才有溝道形成，此時在漏-源極間加上正向電壓UDS，才有漏極電流ID產生。而且UGS增大時，溝道變厚，溝道電阻減小，ID增大。這是N溝道增強型場效應管的柵極電壓控制的作用，因此，場效應管通常也稱為壓控三極管。

增強型、耗盡型MOS場效應管

增強型絕緣柵場效應管，根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指：當VGS=0時管子是呈截止狀態，加上正確的VGS后，多數載流子被吸引到柵極，從而“增強”了該區域的載流子，形成導電溝道。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型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區，從N型區引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。

當VGS＝0 V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。柵極加有電壓時，若0＜VGS＜VGS(th)時，通過柵極和襯底間形成的電容電場作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的多子空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層；同時將吸引其中的少子向表層運動，但數量有限，不足以形成導電溝道，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)稱為開啟電壓），由于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P型半導體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。隨著VGS的繼續增加,ID將不斷增加。在VGS＝0V時ID＝0，只有當VGS＞VGS(th)后才會出現漏極電流，所以,這種MOS管稱為增強型MOS管。

VGS對漏極電流的控制關系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述，稱為轉移特性曲線，見圖3。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制作用。 gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導。

圖2—54（a）為N溝道增強型MOSFET的結構示意圖，其電路符號如圖2—54（b）所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，利用擴散工藝在襯底上擴散兩個高摻雜濃度的N型區（用N+表示），并在此N型區上引出兩個歐姆接觸電極，分別稱為源極（用S表示）和漏極（用D表示）。在源區、漏區之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅（SiO2）絕緣層，在此絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極作為柵極（用G表示）。從襯底引出一個歐姆接觸電極稱為襯底電極（用B表示）。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以稱它為絕緣柵型場效應管。圖2—54（a）中的L為溝道長度，W為溝道寬度。

圖2—54所示的MOSFET，當柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=0時,由于漏極和源極兩個N+型區之間隔有P型襯底，相當于兩個背靠背連接的PN結，它們之間的電阻高達1012W的數量級，也就是說D、S之間不具備導電的溝道，所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會產生漏極電流ID。

當將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即UGS﹥0時,如圖2—55（a）所示，則在柵極與襯底之間產生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復合，形成了一層耗盡層。如果進一步提高UGS電壓，使UGS達到某一電壓UT時，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如圖2—55（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個N+型區相連通，構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導通電阻越小，導電能力越強。這就是為什么把它稱為增強型的緣故。

耗盡型。耗盡型是指，當VGS=0時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉向截止。耗盡型MOS場效應管，是在制造過程中，預先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時，這些正離子產生的電場也能在P型襯底中“感應”出足夠的電子，形成N型導電溝道。

當UDS>0時，將產生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。當UGS更負，達到某一數值時溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓，仍用UP表示。UGS<UP溝道消失，稱為耗盡型。
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