絕緣柵型場效應管的結構、特性、參數

• • 本文介紹的定義
  • 一、N溝道增強型MOS場效應管結構
  • 二、N溝道增強型MOS場效應管特性曲線
  • 三、N溝道耗盡型MOS場效應管結構和特性曲線

本文介紹的定義

絕緣柵型場效應管、N溝道增強型MOS場效應管、耗盡型場效應管、增強型場效應管、反型層、開啟電壓、預夾斷、夾斷區、輸出特性、轉移特性、N溝道耗盡型MOS場效應管、夾斷電壓。

一、N溝道增強型MOS場效應管結構

之前介紹了結型場效應管，柵極和導電溝道之間PN結被反向偏置，柵極基本不取電流，輸入電阻很高可達10^7歐姆，如果要得到更高輸入電阻，可以采用絕緣柵型場效應管。

絕緣柵型場效應管：由金屬、氧化物、半導體制成，稱為Metal-Oxide -Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱MOS場效應管。它的柵極被絕緣層(SiO2)隔離，輸入電阻更高。絕緣柵型場效應管有N溝道和P溝道，可以分為增強型和耗盡型，本文介紹N溝道增強型MOS場效應管。

N溝道增強型MOS場效應管：結構圖如下圖所示，摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，表面覆蓋一層SiO2的絕緣層，在SiO2層上刻出兩個窗口，擴散形成兩高摻雜N區，引出源極s、漏極d，在源極漏極之間的二氧化硅上引出柵極。襯底也引出一根引線B。

結型場效應管利用Ugs控制PN結耗盡層寬窄，改變導電溝道寬度，控制漏極電流Id。

絕緣柵型場效應管利用Ugs控制感應電荷多少，改變這些感應電荷形成的導電溝道形狀，控制漏極電流Id。

耗盡型場效應管、增強型場效應管：Ugs=0時，漏源之間已存在導電溝道，稱為耗盡型場效應管；Ugs=0時，漏源之間不存在導電溝道，稱為增強型場效應管。

假設Uds=0，Ugs>0。柵極電壓為正，吸引P區少子電子到靠近二氧化硅一側與空穴復合，產生負離子組成的耗盡層。增大Ugs，耗盡層變寬，增大到一定值，吸引電子足夠多（P區的少子電子濃度低，表面負電荷主要從源極和漏極N區得到），那么，耗盡層與二氧化硅之間形成可移動的表面電荷層。如下圖所示。P型半導體中感應出N型電荷層，稱為反型層。漏極d和源極s之間形成N型導電溝道。形成反型層所需Ugs稱為開啟電壓，用Ugsth表示，隨著Ugs升高，導電溝道變寬，由于Uds=0，Id=0 。

假設，Ugs是大于Ugsth的固定值，在漏極d源極s之間加上正電壓Uds，Uds<Ugs-Ugsth。由于漏源之間存在導電溝道，將產生電流Id，Id經過導電溝道，產生電壓降，溝道個點電位不同，靠近漏極d處電位最高，柵漏電位差Ugd=Ugs-Uds最小，導電溝道最窄，溝道靠近源極電位最低，柵源電位差最大，導電溝道最寬，如下圖a所示。

Uds增大，Id增大，導電溝道寬度更加不均勻，Uds增大到Uds=Ugs-Ugsth，也就是當Ugd=Ugsth時，靠近漏極溝道達到臨界開啟程度，出現預夾斷現象。

繼續增大Uds，夾斷區延長，由于夾斷區溝道電阻很大，Uds逐漸增大時，增加的Uds幾乎都降到夾斷區了，導電溝道兩端電壓幾乎沒有增大，Id也基本不變。

二、N溝道增強型MOS場效應管特性曲線

輸出特性、轉移特性如圖所示。

輸出特性，分為三個區，可變電阻區、恒流區、截至區。可變電阻區和恒流區間虛線表示預夾斷軌跡。虛線和輸出特性曲線交點滿足：Ugd=Ugs-Uds=Ugsth。

轉移特性，Ugs<Ugsth時，未形成導電溝道，Id為0 。Ugs=Ugsth時，開始形成導電溝道，產生Id，隨Ugs增大，溝道變寬，溝道電阻減小，Id增大。

三、N溝道耗盡型MOS場效應管結構和特性曲線

對于N溝道增強型MOS場效應管，當Ugs>Ugsth，漏極和源極之間才存在導電溝道。

耗盡型的MOS場效應管，由于在二氧化硅絕緣層摻入大量正離子，即使Ugs=0，正離子產生的電場也能感應出足夠負電荷形成反型層，產生N型導電溝道。Uds>0時，將有較大漏極電流。

如果Ugs<0，柵極接到電源負端，電場將削弱原先的正離子電場，感應電荷減少，N型溝道變窄，Id減小，Ugs更負，導電溝道消失，Id=0 。使Id=0的Ugs稱為夾斷電壓，用Ugsoff表示。

和N溝道增強型MOS場效應管不同之處，耗盡型MOS場效應管允許Ugs>0 。此時導電溝道更寬，Id更大。

特性曲線如下圖所示。

總結

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