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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

2019-9-29 09:26| 发布者: 家电维修网| 查看: 91| 评论: 0

摘要: 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 ...

MOS管工作原理动画

绝缘型场效应管栅极与源极、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。
       


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