絕緣柵型場效應管

信息來源：本站　日期：2017-04-13　

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在結型場效應管中，柵極和溝道間的PN結是反向偏置的，所以輸入電阻很大。但PN結反偏時總會有一些反向電流存在，這就限制了輸入電阻的進一步提高。如果在柵極與溝道間用一絕緣層隔開，便制成了絕緣柵型場效應管，其輸入電阻可提高到。根據絕緣層所用材料之不同，絕緣柵場效應管有多種類型，目前應用最廣泛的一種是以二氧化硅（SiO2）為絕緣層的金屬一氧化物一半導體（Meial-Oxide-Semiconductor）場效應管，簡稱MOS場效應管（MOSFET）。它也有N溝道和P溝道兩類，每類按結構不同又分為增強型和耗盡型。

一、耗盡型MOS管

N溝道耗盡型MOS管和N溝道增強型MOS管的結構基本相同。差別在于耗盡型MOS管的SiO2絕緣層中摻有大量的正離子，故在UGS= 0時，就在兩個N十區之間的P型表面層中感應出大量的電子來，形成一定寬度的導電溝道。這時，只要UDS＞0就會產生ID。對于N溝道耗盡型MOS管，無論UGS為正或負，都能控制ID的大小，并且不出現柵流。這是耗盡型MOS管區別于增強型MOS管的主要特點。

二、增強型MOS管

1．結構與符號

圖Z0125是N溝道增強型MOS管的結構示意圖和符號。它是在一塊P型硅襯底上，擴散兩個高濃度摻雜的N+區，在兩個N+區之間的硅表面上制作一層很薄的二氧化硅（SiO2）絕緣層，然后在SiO2和兩個N型區表面上分別引出三個電極，稱為源極s、柵極g和漏極d。在其圖形符號中，箭頭表示漏極電流的實際方向。

2．輸出特性曲線

N溝道增強型MOS管輸出特性曲線如圖Z0127所示，它是UGS為不同定值時，ID 與UDS之間關系的一簇曲線。由圖可見，各條曲線變化規律基本相同。現以UGS＝5V一條曲線為例來進行分析。設UGS＞VT，導電溝道已形成。當UDS= 0時，溝道里沒有電子的定向運動，ID=0；當UDS＞0且較小時，溝道基本保持原狀，表現出一定電阻，ID隨UDS線性增大；當UDS較大時，由于電阻沿溝道遞增，使UDS沿溝道的電位從漏端到源端遞降，所以沿溝道的各點上，柵極與溝道間的電位差沿溝道從d至s極遞增，導致垂直于P型硅表面的電場強度從d至s極也遞增，從而形成溝道寬度不均勻，漏端最窄，源端最寬如圖Z0126所示。隨著UDS的增加，漏端溝道變得更窄，電阻相應變大，ID上升變慢；當UDS繼續增大到UDS=UGS- VT時，近漏端的溝道開始消失，漏端一點處被夾斷；如果UDS再增加，將出現夾斷區。這時，UDS增加的部分基本上降在夾斷區上，使夾斷部分的耗盡層變得更厚，而未夾斷的導電溝道不再有多大變化，所以ID將維持剛出現夾斷時的數值，趨于飽和，管子呈現恒流特性。

對于不同的UGS值，溝道深淺也不同，UGS愈大，溝道愈深。在恒流區，對于相同的UDS 值，UGS大的ID也較大，表現為輸出特性曲線上移。

3．工作原理

絕緣柵場效應管的導電機理是，利用UGS 控制"感應電荷"的多少來改變導電溝道的寬窄，從而控制漏極電流ID。若UGS＝0時，源、漏之間不存在導電溝道的為增強型MOS管，UGS＝0 時，漏、源之間存在導電溝道的為耗盡型MOS管。

圖Z0125中襯底為P型半導體，在它的上面是一層SiO2薄膜、在SiO2薄膜上蓋一層金屬鋁，如果在金屬鋁層和半導體之間加電壓UGS，則金屬鋁與半導體之間產生一個垂直于半導體表面的電場，在這一電場作用下，P型硅表面的多數載流子-空穴受到排斥，使硅片表面產生一層缺乏載流子的薄層。同時在電場作用下，P型半導體中的少數載流子-電子被吸引到半導體的表面，并被空穴所俘獲而形成負離子，組成不可移動的空間電荷層（稱耗盡層又叫受主離子層）。UGS愈大，電場排斥硅表面層中的空穴愈多，則耗盡層愈寬，且UGS愈大，電場愈強；當UGS 增大到某一柵源電壓值VT（叫臨界電壓或開啟電壓）時，則電場在排斥半導體表面層的多數載流子-空穴形成耗盡層之后，就會吸引少數載流子-電子，繼而在表面層內形成電子的積累，從而使原來為空穴占多數的P型半導體表面形成了N型薄層。由于與P型襯底的導電類型相反，故稱為反型層。在反型層下才是負離子組成的耗盡層。這一N型電子層，把原來被PN結高阻層隔開的源區和漏區連接起來，形成導電溝道。

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