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MOS场效应管的基本结构和工作原理

2015-1-14 08:28| 编辑:电工学习网| 查看: 14923| 评论: 0

图1 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号
  MOS场效应三极管分为:增强型(又有N沟道、P沟道之分)及耗尽型(分有N沟道、P沟道)。N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图1。其中:电极 D(Drain) 称为漏极,相当双极型三极管的集电极;

  电极 G(Gate) 称为栅极,相当于的基极;
  电极 S(Source)称为源极,相当于发射极。

  1.N沟道增强型MOSFET
  (1)结构
  根据图1,N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极,一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底,用符号B表示  (2)工作原理
  ① 栅源电压VGS的控制作用
  当VGS=0 V时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。
  当栅极加有电压时,若0<VGSVGS(th)时,通过栅极和衬底间的电容作用,将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动,但数量有限,不足以形成沟道,将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流ID
  进一步增加VGS,当VGSVGS(th
)时( VGS(th) 称为开启电压),由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0,只有当VGSVGS(th)后才会出现漏极电流,这种MOS管称为增强型MOS管。  VGS对漏极电流的控制关系可用iDf(vGS)|VDS=const这一曲线描述,称为转移特性曲线,见图2。
  转移特性曲线的斜率g
m的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V,所以gm也称为跨导。

图2 转移特性曲线

  跨导的定义式如下:
     g
m=△ID/△VGS|VDS=const (单位mS) (1)
  ②漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
  当VGSVGS(th),且固定为某一值时,来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图33所示。根据此图可以有如下关系
       VDSVDGVGS= -VGDVGS
       VGDVGSVDS
  当VDS为0或较小时,相当VGDVGS(th),沟道分布如图3 (a),此时VDS 基本均匀降落在沟道中,沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处,沟道达到开启的程度以上,漏源之间有电流通过。
  当VDS增加到使VGDVGS(th)时,沟道如图3(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况,称为预夹断,此时的漏极电流ID基本饱和。当VDS增加到VGDVGS(th)时,沟道如图3 (c)所示。此时预夹断区域加长,伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上, ID基本趋于不变。

图3 漏源电压VDS对沟道的影响

  VGSVGS(th),且固定为某一值时,VDSID的影响, 即iDf(VDS)|VGS=const这一关系曲线如图4所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。

(a) 输出特性曲线        (b)转移特性曲线
图4 漏极输出特性曲线和转移特性曲线

  2.N沟道耗尽型MOSFET
  N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图5(a)所示,它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当VGS>0时,将使ID进一步增加。VGS<0时,随着VGS的减小漏极电流逐渐减小,直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压,用符号VGS(off)表示,有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图5(b)所示。

       
(a) 结构示意图          (b) 符号               (c)转移特性曲线
图5 N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线

  3.P沟道耗尽型MOSFET
  P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。

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