MOS管工作動畫原理圖詳解

1、MOS管工作動畫原理圖詳解絕緣型場效應管的柵極與源極、柵極和漏極之間均采用SiO2絕緣層隔離，因此而得名。又因柵極為金屬鋁，故又稱為MOS管。它的柵極-源極之間的電阻比結型場效應管大得多，可達1010Q以上，還因為它比結型場效應管溫度穩(wěn)定性好、集成化時溫度簡單，而廣泛應用于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中。由改變感並溝道電附以控制大小與結型場效應管相同，MOS管工作原理動畫示意圖也有N溝道和P溝道兩類，但每一類又分為增強型和耗盡型兩種，因此MOS管的四種類型為：N溝道增強型管、N溝道耗盡型管、P溝道增強型管、P溝道耗盡型管。凡柵極-源極電壓UGS為零時漏極電流也為零的管子均屬于增強型管，凡柵極-源極

2、電壓UGS為零時漏極電流不為零的管子均屬于耗盡型管。根據導電方式的不同，MOSFET又分增強型、耗盡型。所謂增強型是指：當VGS=0時管子是呈截止狀態(tài)，加上正確的VGS后，多數載流子被吸引到柵極，從而增強了該區(qū)域的載流子，形成導電溝道。0內；PJ：llXN溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，個是源極So在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極Go當VGS=OV時，漏源之間相當兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。當柵極加有電壓時，

3、若0VGSVGS(th)時(VGS(th)稱為開啟電壓)，由于此時的柵極電壓已經比較強，在靠近柵極下方的P型半導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電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層。隨著VGS的繼續(xù)增加,ID將不斷增加。在VGS=OV時ID=O，只有當VGSVGS(th)后才會出現漏極電流，所以，這種MOS管稱為增強型MOS管。VGS對漏極電流的控制關系可用iD=f(VGS(th)|VDS=const這一曲線描述，稱為轉移特性曲線，MOS管工作原理動畫見圖1。轉移特性曲線的斜率g

4、m的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導?？鐚АOS管工作原理動畫254(a)為N溝道增強型MOS管工作原理動畫圖，其電路符號如圖254(b)所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，利用擴散工藝在襯底上擴散兩個高摻雜濃度的N型區(qū)(用N+表示)，并在此N型區(qū)上引出兩個歐姆接觸電極，分別稱為源極(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)。從襯底引出一個歐姆接觸電極稱為襯底電極(用B表示)。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以稱它為絕緣

5、柵型場效應管oMOS管工作原理動畫圖254(a)中的L為溝道長度,W為溝道寬度。圖254圖254所示的MOSFET，當柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=O時,由于漏極和源極兩個N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當于兩個背靠背連接的PN結，它們之間的電阻高達1012W的數量級，也就是說D、S之間不具備導電的溝道，所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會產生漏極電流ID。當將襯底B與源極S短接,在柵極G和源極S之間加正電壓，即UGS0時,MOS管工作原理動畫圖255(a)所示，則在柵極與襯底之間產生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受

6、電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復合，形成了一層耗盡層。如果進一步提高UGS電壓，使UGS達到某一電壓UT時，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，由量變到質變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為反型層”，MOS管工作原理動畫圖255(b)所示。反型層將漏極D和源極S兩個N+型區(qū)相連通，構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGSUT時才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導通電阻越小，導電能力越強。這就是為什么把它稱為增強型的緣故。在UGSUT的條件下，如果在漏極D和

7、源極S之間加上正電壓UDS，導電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS-UDS,相應的溝道最薄;靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于UGS,相應的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。L-feP襯底當UDS增大到某一臨界值，使UGDSUT時，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道預夾斷，MOS管工作原理動畫圖256(a)所示。繼續(xù)增大UDS(即UDSUGS-UT)，夾斷點向源極方向

8、移動，MOS管工作原理動畫圖256(b)所示。盡管夾斷點在移動，但溝道區(qū)(源極S到夾斷點)的電壓降保持不變，仍等于UGS-UT。因此,UDS多余部分電壓UDS-(UGS-UT)全部降到夾斷區(qū)上，在夾斷區(qū)內形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當電子到達夾斷區(qū)邊緣時，受夾斷區(qū)強電場的作用，會很快的漂移到漏極。耗盡型。耗盡型是指，當VGS=O時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數載流子流出溝道，因而耗盡”了載流子，使管子轉向截止。耗盡型MOS場效應管，是在制造過程中，預先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=O時，這些正離子產生的電場也能在P型襯底中感應”出足夠的電子，

9、形成N型導電溝道。當UDS0時，將產生較大的漏極電流ID。如果使UGS0時，將使ID進一步增加。VGS0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線如圖1.(b)所示。圖1.N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線由于耗盡型MOSFET在uGS=0時，漏源之間的溝道已經存在，所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向柵壓uGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應更多的電子，溝道變厚，溝道的電導增大。如果在柵極加負電壓(即uGS0=,就會在相對應的襯底表面感應出正

10、電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產生一個耗盡層，使溝道變窄，溝道電導減小。當負柵壓增大到某一電壓Up時，耗盡區(qū)擴展到整個溝道，溝道完全被夾斷(耗盡)，這時即使uDS仍存在，也不會產生漏極電流，即iD=0。UP稱為夾斷電壓或閾值電壓，其值通常在-1V-10V之間N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線和轉移特性曲線分別如圖260(a)、(b)所示。在可變電阻區(qū)內，iD與uDS、uGS的關系仍為在恒流區(qū)，iD與uGS的關系仍滿足式(281)，即若考慮uDS的影響，iD可近似為IVQ010152025?0LIUt=；=LH-i-jai=lV對耗盡型場效應管來說，式(284)也可表示為式中，IDSS稱為uGS=0時的飽和漏電流，其值為P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有