EDA365电子工程师网
标题:
高清动画+原理图！深度解剖4类MOS管底层原理，看过都收藏了
[打印本页]
作者:
admin
时间:
2019-10-9 14:26
标题:
高清动画+原理图！深度解剖4类MOS管底层原理，看过都收藏了
2 i; d) E) g& S, o; l" _
MOS管工作原理动画
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。
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。
# Q; t1 u5 t# T. @% `. O9 ^
9 A. ^ D" d! m' o+ \2 O
与结型场效应管相同，MOS管工作原理动画示意图也有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。
' ~! _2 i! |; ~/ [9 x% U H- [
5 k. o) s9 l! @! e" c
% J; E" O2 {& n( K
: p4 y$ r, N: ^
1 i- |- p+ q* O& d" C
- P5 b' k# \: i$ u; M6 E
) ^, T5 }9 w- w; S6 \" p
根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。
所谓增强型是指：
当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。
1 U8 s: V3 J0 z# l! ~
$ J6 w( y% ^ r! ]$ V- c
& |, r% ~9 l$ y
0 G& x* N) R8 F9 l
N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。
4 h1 V5 q, A+ H6 R U& w9 `# p
+ X6 ]7 ]5 ]5 [* l) H
当VGS＝0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，
在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。
+ y$ w) G& N; c7 Q6 T1 u
7 y+ H6 z* Y8 L+ m" l9 n2 [8 A: \
当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间形成的电容电场作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层；
同时将吸引其中的少子向表层运动，但数量有限，不足以形成导电沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
# v7 t* N. n p( v) D
4 P& t- A: ~2 v# M/ ~6 Q
进一步增加VGS，当VGS＞VGS(th)时（ VGS(th)称为开启电压），由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。
0 W) j) F. b! @# t q3 H
' o6 {& j$ t7 o: Y. O9 e' Q
1 ?: h5 n1 L4 {4 b4 Q0 I0 ^/ B( H
如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。
在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。
随着VGS的继续增加,ID将不断增加。
在VGS＝0V时ID＝0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，所以,这种MOS管称为增强型MOS管。
# m. m) F w. Z! O# A9 S0 z
1 \- w5 o% H$ n& v8 u2 o1 A- D: V
VGS对漏极电流的控制关系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，MOS管工作原理动画见图1.。
5 J9 K1 w% |0 V- b7 @3 ]7 |, ~
6 E/ N3 O, P% \; D: S
转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
gm的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。
跨导。
& o0 {! b" J; I( o
" i2 [# E! G# Y( J$ b% n$ m: k
2 L- Y6 A: W' s3 H0 ?5 p# h7 V& z
图1. 转移特性曲线
3 q5 R% Z I/ Y' C2 @! G
$ i6 W& M2 Y K7 m& L3 N! M
$ f \# v! ?8 j& m, K: B
MOS管工作原理动画2—54（a）为N沟道增强型MOS管工作原理动画图，其电路符号如图2—54（b）所示。
它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，利用扩散工艺在衬底上扩散两个高掺杂浓度的N型区（用N+表示），并在此N型区上引出两个欧姆接触电极，分别称为源极（用S表示）和漏极（用D表示）。
, q2 ]# Y& ]6 i5 ]* v- S a: \
+ G5 ?' O/ a5 Y* J8 t+ S
$ |3 e% F% T) U4 \9 n8 Y
在源区、漏区之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅（SiO2）绝缘层，在此绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极作为栅极（用G表示）。
从衬底引出一个欧姆接触电极称为衬底电极（用B表示）。
6 {% R0 `" s$ b& J& [8 P; U
0 c `' e' }2 R& C0 U5 g. v- Y+ w
9 p+ V$ R. m6 {! n' k
由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以称它为绝缘栅型场效应管。
MOS管工作原理动画图2—54（a）中的L为沟道长度，W为沟道宽度。
o6 r- P% _3 U( A
6 O% D0 P$ y0 X+ z& _2 E2 _# g$ o7 N
+ } B# S1 f; [9 n* M% V
% `6 Q9 U# [" A/ ~/ q. N
2 U5 y! v' F5 X; o. `
图2—54所示的MOSFET，当栅极G和源极S之间不加任何电压，即UGS=0
时,由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底，相当于两个背靠背连接的PN结，它们之间的电阻高达1012W的数量级，也就是说D、S之间不具备导电的沟道，所以无论漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流ID。
- n( |7 D! w/ Y1 T3 k9 F" u( a
6 `. X9 A/ U5 m8 w0 r
( L' U- g' S" s
当将衬底B与源极S短接，在栅极G和源极S之间加正电压，即UGS﹥0时,MOS管工作原理动画图2—55（a）所示，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。
在这个电场的作用下，P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层。
8 n0 ?' }- L* o, ?# q# e
! `. n6 d/ `5 g K( P
7 d( o' n! d# x3 S$ l1 {
如果进一步提高UGS电压，使UGS达到某一电压UT时，P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的N型层，称为“反型层”，MOS管工作原理动画图2—55（b）所示。
( X9 f. s w0 N* |" X+ Y; @1 w9 b
6 x, r) }) {3 u
3 d' n! f- z4 `- j" v L
反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通，构成了漏、源极之间的N型导电沟道。
把开始形成导电沟道所需的UGS值称为阈值电压或开启电压，用UT表示。
显然，只有UGS﹥UT时才有沟道，而且UGS越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电能力越强。
这就是为什么把它称为增强型的缘故。
& w4 l( }* F% R. b: @/ T
7 n, R6 ?; I' V6 n# L' i
在UGS﹥UT的条件下，如果在漏极D和源极S之间加上正电压UDS，导电沟道就会有电流流通。
漏极电流由漏区流向源区，因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小，
靠近漏区一端的电压UGD最小，其值为UGD=UGS－UDS,相应的沟道最薄；
2 J# o! R' ?- c6 F
- V( E- u7 c7 e* o# a" n* U+ F
. r* s6 y2 z, u( j; ?
靠近源区一端的电压最大，等于UGS,相应的沟道最厚。
这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。
随着UDS的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。
: H |! a# R: c N, ]) N
9 D; a; J) S, Z. Z$ w3 h' {& n
, m% }0 }/ e. U
4 v; q' P5 E7 Q# S- P
) e: p c$ a8 t6 x
) l, O4 n$ C* g1 T7 Q( ?
当UDS增大到某一临界值，使UGD≤UT时，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”，MOS管工作原理动画图2—56（a）所示。
继续增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夹断点向源极方向移动，MOS管工作原理动画图2—56（b）所示。
( L S0 s3 @7 a. l) a4 c
; x3 u4 r0 @3 A+ G& U; {/ |$ N8 d
3 _6 M7 A6 P1 k% a* X
尽管夹断点在移动，但沟道区（源极S到夹断点）的电压降保持不变，仍等于UGS－UT。
因此,UDS多余部分电压[UDS－(UGS－UT)]全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。
这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极。
) _9 @, b W% {2 c# x- C: h
7 K# ]' R: Y$ {: x/ U) z- l
耗尽型。
耗尽型是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。
1 T$ F# T0 |0 M/ T9 L% s& c c, V3 u
6 G( y; k$ h, U2 F7 S( z' {
耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道。
* |- {( {+ B, F: y' ]
$ l' P: W. W b# k/ K
当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。
如果使UGS
欢迎光临 EDA365电子工程师网 (http://bbs.elecnest.cn/)
Powered by Discuz! X3.2
9 A. ^ D" d! m' o+ \2 O
) e: p c$ a8 t6 x