N沟道MOS管的结构及工作原理.doc

1、N 沟道 MOS 管的结构及工作原理 N 沟道金属-氧化物-半导体场效应管(MOS 管)的结构及工作原理结型场效应管的输入电阻虽然可达 106109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是 PN 结的反偏电阻，在高温条件下工作时，PN 结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015W。它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。MOS 管也有 N 沟道和 P

2、沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型 MOS 管在栅-源电压 vGS=0 时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压 vDS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（iD=0）。而耗尽型 MOS 管在 vGS=0 时，漏-源极间就有导电沟道存在。一、N 沟道增强型场效应管结构a) N 沟道增强型 MOS 管结构示意图(b) N 沟道增强型 MOS 管代表符号 (c) P 沟道增强型 MOS 管代表符号在一块掺杂浓度较低的 P 型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的 N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极 d 和源极 s。然后在半导体表面复盖一层很

3、薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极 g。另外在衬底上也引出一个电极 B，这就构成了一个 N 沟道增强型 MOS 管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。图 1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由 P(衬底)指向 N(沟道)。P 沟道增强型 MOS 管的箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示。二、N 沟道增强型场效应管工作原理1vGS 对 iD 及沟道的控制作用MOS 管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好) 。从图 1(a)可以看出，增强型 MOS 管的漏极 d 和源极 s 之间有两个背靠背的

4、PN 结。当栅 -源电压 vGS=0 时，即使加上漏-源电压 vDS，而且不论 vDS 的极性如何，总有一个 PN 结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流 iD0。若在栅-源极间加上正向电压，即 vGS0，则栅极和衬底之间的SiO2 绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的 P 型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时 P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。当 vGS 数值较小，吸引电子的能力不强时，漏 -源极之间仍无导电沟道出现，如图 1(b)所示。vGS 增加时，吸引到 P

5、衬底表面层的电子就增多，当 vGS 达到某一数值时，这些电子在栅极附近的 P 衬底表面便形成一个 N 型薄层，且与两个 N+区相连通，在漏- 源极间形成 N 型导电沟道，其导电类型与 P 衬底相反，故又称为反型层，如图 1(c)所示。vGS 越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到 P 衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用 VT 表示。由上述分析可知，N 沟道增强型 MOS 管在 vGSVT 时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当 vGSVT 时，才有沟道形成，此时在漏 -源极间加上正向电压 vDS，才有漏极电流产生。而

6、且 vGS 增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD 增大。这种必须在 vGSVT 时才能形成导电沟道的 MOS 管称为增强型 MOS 管。2vDS 对 iD 的影响图 1如图 2(a)所示，当 vGSVT 且为一确定值时，漏-源电压 vDS 对导电沟道及电流 iD 的影响与结型场效应管相似。漏极电流 iD 沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为 vGD=vGS - vDS，因而这里沟道最薄。但当 vDS 较小（vDS 随着 vDS 的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当 vDS 增加到使 vGD=vGS-vDS=VT(或

7、 vDS=vGS-VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图 2(b)所示。再继续增大 vDS，夹断点将向源极方向移动，如图 2(c)所示。由于 vDS 的增加部分几乎全部降落在夹断区，故 iD 几乎不随 vDS 增大而增加，管子进入饱和区，iD 几乎仅由 vGS 决定。三、特性曲线、电流方程及参数1特性曲线和电流方程图 1N 沟道增强型 MOS 管的输出特性曲线如图 1(a)所示。与结型场效应管一样 ,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图 1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区( 恒流区),此时 iD 几乎不随 vDS 而变化,即不同的vDS 所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用 vDS 大于某一数值(vDSvGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线,与结型场效应管相类似。在饱和区内,iD 与 vGS 的近似关系式为( vGSVT ) 式中 IDO 是 vGS=2VT 时的漏极电流 iD。2. 参数MOS 管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型 MOS 管中不用夹断电压 VP，而用开启电压 VT 表征管子的特性。