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

admin · 发表于 2019-10-9 14:26

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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。

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。


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。


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。

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。

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。

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。

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。

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.。

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。

图1. 转移特性曲线

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）。

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）。

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。


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。

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。

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。

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。

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；

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。




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。

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。

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。

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。

当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS

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