模擬電路網(wǎng)絡(luò)課件 第十九節(jié):金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管
4.3 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管
結(jié)型場效應(yīng)管的輸入電阻雖然可達(dá)106～109W，但在要求輸入電阻更高的場合，還是不能滿足要求。而且，由于它的輸入電阻是PN結(jié)的反偏電阻，在高溫條件下工作時，PN結(jié)反向電流增大，反偏電阻的阻值明顯下降。與結(jié)型場效應(yīng)管不同，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）的柵極與半導(dǎo)體之間隔有二氧化硅（SiO2）絕緣介質(zhì)，使柵極處于絕緣狀態(tài)（故又稱絕緣柵場效應(yīng)管），因而它的輸入電阻可高達(dá)1015W。它的另一個優(yōu)點是制造工藝簡單，適于制造大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路。
MOS管也有N溝道和P溝道之分，而且每一類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，二者的區(qū)別是增強(qiáng)型MOS管在柵-源電壓vGS=0時，漏-源極之間沒有導(dǎo)電溝道存在，即使加上電壓vDS（在一定的數(shù)值范圍內(nèi)），也沒有漏極電流產(chǎn)生（iD=0）。而耗盡型MOS管在vGS=0時，漏-源極間就有導(dǎo)電溝道存在。
4.3.1 N溝道增強(qiáng)型
場效應(yīng)管一、結(jié)構(gòu)
a) N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖
(b) N溝道增強(qiáng)型MOS管代表符號 (c) P溝道增強(qiáng)型MOS管代表符號
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，用光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏-源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作為柵極g。另外在襯底上也引出一個電極B，這就構(gòu)成了一個N溝道增強(qiáng)型MOS管。顯然它的柵極與其它電極間是絕緣的。圖 1(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖 1(c)所示。
二、工作原理
1．vGS對iD及溝道的控制作用
MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓vGS=0時，即使加上漏-源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。
若在柵-源極間加上正向電壓，即vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場，這個電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時P襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時，漏-源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區(qū)相連通，在漏-源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。
由上述分析可知，N溝道增強(qiáng)型MOS管在vGS＜VT時，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGS≥VT時，才有溝道形成，此時在漏-源極間加上正向電壓vDS，才有漏極電流產(chǎn)生。而且vGS增大時，溝道變厚，溝道電阻減小，iD增大。這種必須在vGS≥VT時才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。
2．vDS對iD的影響
圖1
如圖2(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一確定值時，漏-源電壓vDS對導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為vGD=vGS - vDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較?。╲DS<vGS–VT）時，它對溝道的影響不大，這時只要vGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨vDS近似呈線性變化。
隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)vDS增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)時，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。
三、特性曲線、電流方程及參數(shù)
1．特性曲線和電流方程
圖1
N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結(jié)型場效應(yīng)管一樣,其輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)幾部分。轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1(b)所示,由于場效應(yīng)管作放大器件使用時是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的,所以可用vDS大于某一數(shù)值(vDS＞vGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替飽和區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線,與結(jié)型場效應(yīng)管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為
( vGS＞VT )
式中IDO是vGS=2VT時的漏極電流iD。
2. 參數(shù)
MOS管的主要參數(shù)與結(jié)型場效應(yīng)管基本相同，只是增強(qiáng)型MOS管中不用夾斷電壓VP，而用開啟電壓VT表征管子的特性。
4.3.2 N溝道耗盡型場效應(yīng)管
圖1
表 1結(jié)構(gòu)種類工作方式符 號電壓極性轉(zhuǎn)移特性
iD = f (vGS)輸出特性
iD = f (vDS)
VP或VTVDS
N溝道
MOSFET耗
盡
型
(-)(+)
增
強(qiáng)
型
(+)(+)
P溝道
MOSFET耗
盡
型
(+)(-)
增
強(qiáng)
型
(-)(-)
P溝道
JFET耗
盡
型
(+)(-)
N溝道
JFET耗
盡
型
(-)(+)
P溝道
GaAs
MESFET耗
盡
型
(-)(+)
