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MOS場效應管的基本結構和工作原理

發布日期:2019-01-08 點擊次數:1121
         很多人對MOS場效應管的工作原理、基本結構和檢測方法不是很了解,尤其對于電工來說,如果有一個直觀的概念可能在日常工作中能節省很多時間,而小編今天就搜集了整個對MOS場效應管的詳細介紹,希望對各位朋友有所幫助。

       MOS場效應管即金屬-氧化物-半導體型場效應管,英文縮寫為MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor,即金屬氧化物合成半導體的場效應晶體管),屬于絕緣柵型。特點:金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層,因此具有很高的輸入電阻(最高可達1015Ω)。它也分N溝道管和P溝道管。通常是將襯底(基板)與源極S接在一起。

                        

                                圖一N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號

       MOS場效應三極管分為:增強型(又有N溝道、P溝道之分)及耗盡型(分有N溝道、P溝道)。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見圖1。其中:電極 D(Drain) 稱為漏極,相當雙極型三極管的集電極;
          電極 G(Gate) 稱為柵極,相當于的基極;
          電極 S(Source)稱為源極,相當于發射極。

        1、N溝道增強型MOSFET

     (1)結構
        根據圖1,N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,從N型區引出電極,一個是漏極D,一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底,用符號B表示。
         (2)工作原理
          ① 柵源電壓VGS的控制作用
          當VGS=0 V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,若0<VGS<VGS(th)時,通過柵極和襯底間的電容作用,將靠近柵極下方的P型半導體中的空穴向下方排斥,出現了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動,但數量有限,不足以形成溝道,將漏極和源極溝通,所以仍然不足以形成漏極電流ID。
         進一步增加VGS,當VGS>VGS(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的繼續增加,ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0,只有當VGS>VGS(th)后才會出現漏極電流,這種MOS管稱為增強型MOS管?! GS對漏極電流的控制關系可用iD=f(vGS)|VDS=const這一曲線描述,稱為轉移特性曲線,見圖2。
         轉移特性曲線的斜率gm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
。
            
                            圖二轉移特性曲線
        跨導的定義式如下:
       gm=△ID/△VGS|VDS=const (單位mS) (1)
       ②漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用
      當VGS>VGS(th),且固定為某一值時,來分析漏源電壓VDS對漏極電流ID的影響。VDS的不同變化對溝道的影響如圖3所示。根據此圖可以有如下關系
     VDS=VDG+VGS= -VGD+VGS
     VGD=VGS-VDS
     當VDS為0或較小時,相當VGD>VGS(th),溝道分布如圖3 (a),此時VDS 基本均勻降落在溝道中,溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處,溝道達到開啟的程度以上,漏源之間有電流通過。
       當VDS增加到使VGD=VGS(th)時,溝道如圖3(b)所示。這相當于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況,稱為預夾斷,此時的漏極電流ID基本飽和。當VDS增加到VGD<VGS(th)時,溝道如圖3 (c)所示。此時預夾斷區域加長,伸向S極。 VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上, ID基本趨于不變。


                                 圖3 漏源電壓VDS對溝道的影響
         當VGS>VGS(th),且固定為某一值時,VDS對ID的影響, 即iD=f(VDS)|VGS=const這一關系曲線如圖4所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。

                       
圖4 漏極輸出特性曲線和轉移特性曲線
         2、N溝道耗盡型MOSFET
          N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖5(a)所示,它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當VGS=0時,這些正離子已經感應出反型層,形成了溝道。于是,只要有漏源電壓,就有漏極電流存在。當VGS>0時,將使ID進一步增加。VGS<0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5(b)所示。

    (a)結構示意圖                     (b)符號                         (c)轉移特性曲線

                               圖5 N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線
    3、P溝道耗盡型MOSFET
        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NPN型和PNP型一樣。
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