柵極簡介
柵極是場效應管或MOSFET等電子器件的關(guān)鍵部件之一,它可以通過改變柵極與源極之間的電壓來控制器件的導電性能。
柵極在電子器件中的特點:
可以通過改變其電壓來控制器件的電流和電導性能。
柵極采用金屬片或線網(wǎng)格,表面積較小,使得其靈敏度較高。
與晶體管內(nèi)部的其他元件相比,柵極電容較小,對信號的響應速度較快。
柵極結(jié)構(gòu)簡單,易于制造和集成在芯片中。
場效應管(MOS管)柵極
場效應管根據(jù)三極管的原理開發(fā)出的新一代放大元件,有3個極性,柵極,漏極,源極,它的特點是柵極的內(nèi)阻極高,采用二氧化硅材料的可以達到幾百兆歐,屬于電壓控制型器件。由多數(shù)載流子參與導電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。
所有的FET都有柵極、漏極(drain)、源極(source)三個端,分別大致對應雙極性晶體管的基極(base)、集電極(collector)和發(fā)射極(emitter)。除了結(jié)型場效應管外,所有的FET也有第四端,被稱為體(body)、基(base)、塊體(bulk)或襯底(substrate)。這個第四端可以將晶體管調(diào)制至運行;在電路設計中,很少讓體端發(fā)揮大的作用,但是當物理設計一個集成電路的時候,它的存在就是重要的。
在圖1中柵極的長度(length)L,是指源極和漏極的距離。寬度(width)是指晶體管的范圍,在圖1中和橫截面垂直。通常情況下寬度比長度大得多。長度1微米的柵極限制最高頻率約為5GHz,0.2微米則是約30GHz。
這些端的名稱和它們的功能有關(guān)。柵極可以被認為是控制一個物理柵的開關(guān)。這個柵極可以通過制造或者消除源極和漏極之間的溝道,從而允許或者阻礙電子流過。如果受一個外加的電壓影響,電子流將從源極流向漏極。體很簡單的就是指柵極、漏極、源極所在的半導體的塊體。
通常體端和一個電路中最高或最低的電壓相連,根據(jù)類型不同而不同。體端和源極有時連在一起,因為有時源也連在電路中最高或最低的電壓上。當然有時一些電路中FET并沒有這樣的結(jié)構(gòu),比如級聯(lián)傳輸電路和串疊式電路。
MOS管柵極開啟電壓分析
控制機理上MOS-FET的柵極與管子的其余部分絕緣,靠柵源極電壓來控制載流子運動。N-MOSFET是一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底,并在源極S和漏極D兩個區(qū)域制作兩個摻雜濃度較高的N型半導體區(qū)域,通過歐姆電極與源極和漏極相連。
由圖可以看出,柵極G和S、D極之間是有一層二氧化硅,因此,柵極與管子的其余部分絕緣。所以,這種FET稱為絕緣柵型場效應管。在底層的金屬襯底上引出電極B,稱為背面柵極。
那么,柵極和其他部分絕緣,是如何影響載流子的運動的呢?答案就是電場,見下圖。
當Ugs=0時,MOS-FET就是兩個共陽極的二極管,B極是公共陽極,S、D極是兩個陰極。這時,不管S、D之間加何種極性電壓(當然不能超過最大耐壓),都不會有電流產(chǎn)生,此時可認為MOS-FET是截止的。
當背柵極B與源極短接,并給G、S極間加上正電壓,如上圖所示,那么就會形成一個與P-襯底相垂直的電場。當Ugs超過某個臨界值,垂直電場到達一定強度,較多的電子被吸引到P型硅表面,在兩個N型半導體區(qū)域之間形成導電的N溝道,這樣S、D極的N溝道形成一體,與下面的P型硅形成PN結(jié)。
此時,在D、S間施加正向電壓,PN結(jié)反向截止,所以,D、S、N溝道區(qū)下面存在一層耗盡區(qū),與背柵極襯底隔離開。那么,此時D、S極間,就會有不經(jīng)過襯底的電流,通過N溝道由漏區(qū)到達源區(qū),形成漏電流Id。那么,我們就把剛開始出現(xiàn)N溝道的Ugs稱為開啟電壓。
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