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mosfet种类-mosfet四种类型的区别及知识要点解析-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-11-15 

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mosfet种类-mosfet四种类型的区别及知识要点解析

mosfet介绍

mosfet种类有哪些?本文主要讲mosfet的四种类型。金属-氧化物半导体场效应晶体管,简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。 MOSFET依照其“通道”(工作载流子)的极性不同,可分为“N型”与“P型” 的两种类型,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称上包括NMOS、PMOS等。


图1是典型平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图所示。


从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于D与S之间有一个PN结。


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(一)mosfet种类-N沟道增强型

N沟道增强型MOS管工作原理

在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。


图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反,如图(c)所示。


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(2)N沟道增强型MOS管的工作原理


(1)vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

从图1(a)可以看出,增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电压vGS=0时,即使加上漏——源电压vDS,而且不论vDS的极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,漏——源极间没有导电沟道,所以这时漏极电流iD≈0。


② vGS>0 的情况

若vGS>0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。

排斥空穴:使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层。吸引电子:将 P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。


(2)导电沟道的形成:

当vGS数值较小,吸引电子的能力不强时,漏——源极之间仍无导电沟道出现,如图1(b)所示。vGS增加时,吸引到P衬底表面层的电子就增多,当vGS达到某一数值时,这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层,且与两个N+区相连通,在漏——源极间形成N型导电沟道,其导电类型与P衬底相反,故又称为反型层,如图1(c)所示。


vGS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道电阻越小。开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压,用VT表示。


上面讨论的N沟道MOS管在vGS<VT时,不能形成导电沟道,管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时,才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后,在漏——源极间加上正向电压vDS,就有漏极电流产生。

vDS对iD的影响


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如图(a)所示,当vGS>VT且为一确定值时,漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。


漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,这里沟道最厚,而漏极一端电压最小,其值为VGD=vGS-vDS,因而这里沟道最薄。但当vDS较小(vDS)随着vDS的增大,靠近漏极的沟道越来越薄,当vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断,如图2(b)所示。再继续增大vDS,夹断点将向源极方向移动,如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区,故iD几乎不随vDS增大而增加,管子进入饱和区,iD几乎仅由vGS决定。


(二)mosfet种类-N沟道耗尽型


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(1)结构:

N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。


(2)区别:

耗尽型MOS管在vGS=0时,漏——源极间已有导电沟道产生,而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。


(3)原因:

制造N沟道耗尽型MOS管时,在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子),如图1(a)所示,因此即使vGS=0时,在这些正离子产生的电场作用下,漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道),只要加上正向电压vDS,就有电流iD。


如果加上正的vGS,栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子,沟道加宽,沟道电阻变小,iD增大。反之vGS为负时,沟道中感应的电子减少,沟道变窄,沟道电阻变大,iD减小。当vGS负向增加到某一数值时,导电沟道消失,iD趋于零,管子截止,故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压,仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同,N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值,但是,前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0,vGS>0。


(三)mosfet种类-p沟道增强型mosfet
(1)P沟道增强型mosfet的结构和工作原理

如图(1)是P沟道增强型mosfet的结构示意图.通过光刻、扩散的方法或其他手段,在N型衬底(基片)上制作出两个掺杂的P区,分别引出电极,称为源极(s)和漏极(D),同时在漏极与源极之间的Si02绝缘层上制作金属,称为栅极(G),栅极与其他电极是绝缘的,所以称为绝缘栅场效应管 。图(2)为P沟道增强型MOS管的电路符号。


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正常工作时,P沟道增强型mosfet的衬底必须与源极相连,而漏心极对源极的电压v璐应为负值,以保证两个P区与衬底之间的PN结均为反偏,同时为了在衬底顶表面附近形成导电沟道。栅极对源极的电压‰也应为负.


1.导电沟道的形成(VDS=0)

当VDS=0时,在栅源之间加负电压比,如图(3)所示,由于绝缘层的存在,故没有电流,但是金属栅极被补充电而聚集负电荷,N型半导体中的多子电子被负电荷排斥向体内运动,表面留下带正电的离子,形成耗尽层,随着G、S间负电压的增加,耗尽层加宽,当v&增大到一定值时,衬底中的空穴(少子)被栅极中的负电荷吸引到表面,在耗尽层和绝缘层之间形成一个P型薄层,称反型层。


如下图(4)所示,这个反型层就构成漏源之间的导电沟道,这时的VGs称为开启电压VGS(th),啵到vGS(th)后再增加,衬底表面感应的空穴越多,反型层加宽,而耗尽层的宽度却不再变化,这样我们可以用vGs的大小控制导电沟道的宽度。


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2.VDS≠O的情况

导电沟道形成以后,D,S间加负向电压时,那么在源极与漏极之间将有漏极电流ID流通,而且ID随/VDS/而增.ID沿沟道产生的压降使沟道上各点与栅极间的电压不再相等,该电压削弱了栅极中负电荷电场的作用,使沟道从漏极到源极逐渐变窄,如图(5)所示.当VDS增大到使VGD=VGS(即VDS=VGS一VGS(TH)),沟道在漏极附近出现预夹断。


如图(6)所示.再继续增大VDS,夹断区只是稍有加长,而沟道电流基本上保持预夹断时的数值,其原因是当出现预夹断时再继续增大VDS,VDS的多余部分就全部加在漏极附近的夹断区上,故形成的漏极电流ID近似与VDS无关。


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(2)P沟道增强型mosfet的特性曲线和转移特性曲线

图(7)、(8)分别是P沟道增强型M06管的漏极特性曲线和转移特性曲线.漏极特性曲线也可分为可变电阻区、恒流区和夹断区三部分.转移特性曲线是、,璐使管子工作在漏极特性曲线的恒流区时所对应的ID=F(VGS)曲线:


ID与VGS的近似关系式为:


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(四)mosfet种类-P沟道耗尽型mosfet

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。


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