絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管工作原理和特性
增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)體器件。它的輸入電阻可高達(dá)1015 W，而且制造工藝簡(jiǎn)單，適用于制造大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路。場(chǎng)效應(yīng)管也稱(chēng)為MOS管，按其結(jié)構(gòu)不同，分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管兩種類(lèi)型。在本文只簡(jiǎn)單介紹后一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管按其結(jié)構(gòu)不同，分為N溝道和P溝道兩種。每種又有增強(qiáng)型和耗盡型兩類(lèi)。
下面簡(jiǎn)單介紹它們的工作原理。1、增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。2、圖1是N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管示意圖。 在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，用光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，稱(chēng)為漏極D和源極S如圖1(a)所示。然后在半導(dǎo)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(gè)鋁電極，稱(chēng)為柵極G。另外在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)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(hào)。其箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。
圖1 N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管
增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，場(chǎng)效應(yīng)管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)場(chǎng)效應(yīng)管在出廠(chǎng)前已聯(lián)結(jié)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(kāi)，則漏極D和源極S之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓UGS=0時(shí)，即使加上漏-源電壓UDS，而且不論UDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)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(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)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(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時(shí)P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。
當(dāng)UGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏-源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。UGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)UGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類(lèi)型與P襯底相反，故又稱(chēng)為反型層，如圖1所示。UGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓，用UT表示。
圖2 N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的溝道形成圖
由上述分析可知，N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管在UGS＜UT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)UGS≥UT時(shí)，才有溝道形成，此時(shí)在漏-源極間加上正向電壓UDS，才有漏極電流ID產(chǎn)生。而且UGS增大時(shí)，溝道變厚，溝道電阻減小，ID增大。這是N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓控制的作用，因此，場(chǎng)效應(yīng)管通常也稱(chēng)為壓控三極管。
增強(qiáng)型、耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管
增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，根據(jù)導(dǎo)電方式的不同，MOSFET又分增強(qiáng)型、耗盡型。所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)VGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顟B(tài)，加上正確的VGS后，多數(shù)載流子被吸引到柵極，從而“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，形成導(dǎo)電溝道。N溝道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱(chēng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)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(dāng)VGS＝0 V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間形成電流。柵極加有電壓時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過(guò)柵極和襯底間形成的電容電場(chǎng)作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的多子空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層；同時(shí)將吸引其中的少子向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成導(dǎo)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(jìn)一步增加VGS，當(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th)稱(chēng)為開(kāi)啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)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(shí)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(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反,故稱(chēng)為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS＝0V時(shí)ID＝0，只有當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，所以,這種MOS管稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。
VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線(xiàn)描述，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm的量綱為mA/V，所以gm也稱(chēng)為跨導(dǎo)。
圖2—54（a）為N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖，其電路符號(hào)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(kuò)散工藝在襯底上擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜濃度的N型區(qū)（用N+表示），并在此N型區(qū)上引出兩個(gè)歐姆接觸電極，分別稱(chēng)為源極（用S表示）和漏極（用D表示）。在源區(qū)、漏區(qū)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(gè)歐姆接觸電極稱(chēng)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(chēng)它為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。圖2—54（a）中的L為溝道長(zhǎng)度，W為溝道寬度。
圖2—54所示的MOSFET，當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=0時(shí),由于漏極和源極兩個(gè)N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012W的數(shù)量級(jí)，也就是說(shuō)D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無(wú)論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。
當(dāng)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(shí),如圖2—55（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)。在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運(yùn)動(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運(yùn)動(dòng)，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。如果進(jìn)一步提高UGS電壓，使UGS達(dá)到某一電壓UT時(shí)，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(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱(chēng)為“反型層”，如圖2—55（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)N+型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道所需的UGS值稱(chēng)為閾值電壓或開(kāi)啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時(shí)才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。這就是為什么把它稱(chēng)為增強(qiáng)型的緣故。
耗盡型。耗盡型是指，當(dāng)VGS=0時(shí)即形成溝道，加上正確的VGS時(shí)，能使多數(shù)載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止。耗盡型MOS場(chǎng)效應(yīng)管，是在制造過(guò)程中，預(yù)先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時(shí)，這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)也能在P型襯底中“感應(yīng)”出足夠的電子，形成N型導(dǎo)電溝道。
當(dāng)UDS>0時(shí)，將產(chǎn)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(chǎng)，使N溝道變窄，從而使ID減小。當(dāng)UGS更負(fù)，達(dá)到某一數(shù)值時(shí)溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱(chēng)為夾斷電壓，仍用UP表示。UGS<UP溝道消失，稱(chēng)為耗盡型。
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