绝缘栅型场效应管详细解析

绝缘型场效应管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管。金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管。它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管大得多，可达1010Ω以上，还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时温度简单，而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。

与结型场效应管相同，MOS管也有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种，因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。

N沟道增强型MOS管

N沟道增强型MOS管的结构示意图如下。它以一块低参杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区，并引出两个电极，分别为源极s和漏极d，半导体上制作一层SiO2绝缘层，再在SiO2之上制作一层金属铝，引出电极，作为栅极g。通常将衬底和源极接在一起使用。这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。当栅极和源极电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。

工作原理：

当栅极-源极之间不加电压时，漏源之间是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏源之间加电压，也不会有漏极电流。

当UDS=0且UGS>0时，由于SiO2绝缘层的存在，栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷，他们排斥P型衬底靠近SiO2绝缘层侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层。当UGS增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N层薄区，称为反型层。这个反型层就构成了漏极-源极之间的导电通道。使沟道刚刚形成的栅极-源极电压称为开启电压UGS(th)。UGS越大，反型层越宽，导电沟道电阻愈小。

当UGS是大于UGS(th)的一个确定值时，若在d-s之间加正向电压，则将产生一定的漏极电流。当UDS较小时，UDS的增大使iD线性增加，沟道沿源-漏方向逐渐变窄,一旦UDS增加到使UGD=UGS(th)(即UDS=UGS-UGS(th))时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为欲夹断。如果UDS继续增大，夹断区随之延长。而且UDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。从外面看，iD几乎不因UDS的增大而变化，管子进入横流区，iD几乎仅决定于UGS。

在即UDS>UGS-UGS(th)时，对于每一个UGS就有一个确定的iD。此时，可将iD视为电压UGS控制的电流源。

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-SemiConductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS集成电路。

N沟道增强型MOS管的结构，在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，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。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(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。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。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)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图(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(c)所示。

N沟道增强型MOS管的工作原理

(1)vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

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iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS>0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向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。 排斥空穴使栅极附近的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。吸引电子将 P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。

导电沟道的形成，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。开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示。

上面讨论的N沟道MOS管在vGS

vDS对iD的影响

如图(a)所示，当vGS>VT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。

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