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                            場效應管種類-場效應管N、P溝道與增強、耗盡型工作原理等知識詳解-KIA MOS管

                            信息來源:本站 日期:2018-12-03 

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                            場效應管種類
                            場效應管

                            場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。主要有兩種類型(junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場效應管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。由多數載流子參與導電,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高(107~1015Ω)、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點,現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。

                            場效應管(FET)是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件,并以此命名。由于它僅靠半導體中的多數載流子導電,又稱單場極型晶體管。


                            場效應管種類

                            場效應管分為兩種類別:結型場效應管(JFET)和絕緣柵場效應管(MOS管)。下文會著重介紹場效應管種類的具體知識與區別。

                            場效應管種類


                            結型場效應管(JFET)
                            結型場效應管結構與符號

                            結型場效應管的結構如下圖所示,在一塊N型半導體材料的兩邊各擴散一個高雜質濃度的P+區,就形成兩個不對稱的P+N結,即耗盡層。把兩 個P+區并聯在一起,引出一個電極g,稱為柵極,在N型半導體的兩端各引出一個電極,分別稱為源極s和漏極d。它們分別與三極管的基極b、發射極e和集電極c相對應。夾在兩個P+N結中間的N區是電流的通道,稱為導電溝道(簡稱溝道)。


                            這種結構的管子稱為N溝道和P溝道結型場效應管,它在電路中用下圖所示的符號表示,柵極上的箭頭表示柵-源極間的P+N結正向偏置時,柵極電流的方向(由P區指向N區)。

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                            N溝道和P溝道結型場效應管的工作原理

                            N溝道和P溝道結型場效應管工作原理完全相同,現以N溝道結型場效應管為例,分析其工作原理。N溝道結型場效應管工作時,需要外加如圖1所示的偏置電壓(鼠標單擊圖1中“結型場效應管的工作原理”),即在柵-源極間加一負電壓(vGS<0),使柵-源極間的P+N結反偏,柵極電流iG≈0,場效應管呈現很高的輸入電阻(高達108W左右)。在漏-源極間加一正電壓 (vDS>0),使N溝道中的多數載流子電子在電場作用下由源極向漏極作漂移運動,形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制,同時也受漏 -源電壓vDS的影響。因此,討論場效應管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對溝道電阻及漏極電流iD的控制作用,以及漏-源電壓vDS對漏極電流iD 的影響。

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                            (1)柵極電壓VGS對iD的控制作用

                            為便于討論,先假設漏-源極間所加的電壓vDS=0。當柵-源電壓vGS=0時,溝道較寬,其電阻較小,如圖1(a)所示。當vGS<0,且其大小增加時,在這個反偏電壓的作用下,兩個P+N結耗盡層將加寬。由于N區摻雜濃度小于P+區,因此,隨著|vGS| 的增加,耗盡層將主要向N溝道中擴展,使溝道變窄,溝道電阻增大,如圖1(b)所示。當|vGS|進一步增大到一定值|VP| 時,兩側的耗盡層將在溝道中央合攏,溝道全部被夾斷,如圖1(c)所示。


                            由于耗盡層中沒有載流子,因此這時漏-源極間的電阻將趨于無窮大,即使加上一定的 電壓vDS,漏極電流iD也將為零。這時的柵-源電壓稱為夾斷電壓,用VP表示。上述分析表明,改變柵源電壓vGS的大小,可以有效地控制溝道電阻的大小。若同時在漏源-極間加上固定的正向電壓vDS,則漏極電流iD將受vGS的控制,|vGS|增大時,溝道電阻增大,iD減小。上述效應也可以看作是柵 -源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場,電場強度的大小控制了溝道的寬度,即控制了溝道電阻的大小,從而控制了漏極電流iD的大小。

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                            (2)漏電電壓VDS對iD的影響

                            設vGS值固定,且VP隨著vDS的進一步增加,靠近漏極一端的P+N結上承受的反向電壓增大,這里的耗盡層相應變寬,溝道電阻相應增加,iD隨vDS上升的速度趨緩。當vDS增加到vDS=vGS-VP,即vGD=vGS -vDS=VP(夾斷電壓)時,漏極附近的耗盡層即在A點處合攏,如圖2(b)所示,這種狀態稱為預夾斷。與前面講過的整個溝道全被夾斷不同,預夾斷后,漏極電流iD≠0。


                            因為這時溝道仍然存在,溝道內的電場仍能使多數載流子(電子)作漂移運動,并被強電場拉向漏極。若vDS繼續增加,使 vDS>vGS-VP,即vGD<VP時,耗盡層合攏部分會有增加,即自A點向源極方向延伸,如圖2(c),夾斷區的電阻越來越大,但漏極電流iD卻基本 上趨于飽和,iD不隨vDS的增加而增加。因為這時夾斷區電阻很大,vDS的增加量主要降落在夾斷區電阻上,溝道電場強度增加不多,因而iD基本不變。但 當vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后,漏極一端P+N結上反向電壓將使P+N結發生雪崩擊穿,iD會急劇增加,正常工作時vDS不能超過V(BR)DS。

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                            (3)從結型場效應管正常工作時的原理可知:


                            ① 結型場效應管柵極與溝道之間的P+N結是反向偏置的,因此,柵極電流iG≈0,輸入阻抗很高。


                            ② 漏極電流受柵-源電壓vGS控制,所以場效應管是電壓控制電流器件。


                            ③ 預夾斷前,即vDS較小時,iD與vDS間基本呈線性關系;預夾斷后,iD趨于飽和。P溝道結型場效應管工作時,電源的極性與N溝道結型場效應管的電源極性相反。


                            絕緣柵場效應管(MOS管)

                            絕緣柵場效應管絕緣柵場效應管的種類較多,有PMOS、NMOS和VMOS功率管等,但目前應用最多的是MOS管。MOS絕緣柵場效應管也即金屬一氧化物一半導體場效應管,通常用MOS表示,簡稱作MOS管。它具有比結型場效應管更高的輸入阻抗(可達1012Ω以上),并且制造工藝比較簡單,使用靈活方便,非常有利于高度集成化。


                            絕緣柵場效應管(MOS管)結構與符號

                            MOS場效應三極管分為:增強型(又有N溝道、P溝道之分)及耗盡型(分有N溝道、P溝道)。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見圖1。其中:電極 D(Drain) 稱為漏極,相當雙極型三極管的集電極;


                            電極 G(Gate) 稱為柵極,相當于的基極;


                            電極 S(Source)稱為源極,相當于發射極。

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                            MOS管N溝道增強型與耗盡型
                            增強型MOS管

                            所謂增強型是指:當VGS=0時管子是呈截止狀態,加上正確的VGS后,多數載流子被吸引到柵極,從而“增強”了該區域的載流子,形成導電溝道。當柵極加有電壓時,若0<VGS<VGS(th)時,通過柵極和襯底間形成的電容電場作用,將靠近柵極下方的P型半導體中的多子空穴向下方排斥,出現了一薄層負離子的耗盡層;同時將吸引其中的少子向表層運動,但數量有限,不足以形成導電溝道,將漏極和源極溝通,所以仍然不足以形成漏極電流ID。


                            進一步增加VGS,當VGS>VGS(th)時( VGS(th)稱為開啟電壓),由于此時的柵極電壓已經比較強,在靠近柵極下方的P型半導體表層中聚集較多的電子,可以形成溝道,將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓,就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導電溝道中的電子,因與P型半導體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。隨著VGS的繼續增加,ID將不斷增加。在VGS=0V時ID=0,只有當VGS>VGS(th)后才會出現漏極電流,所以,這種MOS管稱為增強型MOS管。VGS對漏極電流的控制關系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述,稱為轉移特性曲線,如下圖

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                            增強型場效應管工作原理

                            N溝道增強型場效應管

                            N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構,它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層,然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區,從N型區引出電極(漏極D、源極S)。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。P型半導體稱為襯底,用符號B表示。柵源電壓VGS的控制作用:當VGS=0 V時,漏源之間相當兩個背靠背的二極管,在D、S之間加上電壓不會在D、S間形成電流。


                            N溝道增強型MOSFET的結構示意圖,如下圖所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底,利用擴散工藝在襯底上擴散兩個高摻雜濃度的N型區(用N+表示),并在此N型區上引出兩個歐姆接觸電極,分別稱為源極(用S表示)和漏極(用D表示)。在源區、漏區之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅(SiO2)絕緣層,在此絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極作為柵極(用G表示)。從襯底引出一個歐姆接觸電極稱為襯底電極(用B表示)。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的,所以稱它為絕緣柵型場效應管。

                            當柵極G和源極S之間不加任何電壓,即UGS=0時,由于漏極和源極兩個N+型區之間隔有P型襯底,相當于兩個背靠背連接的PN結,它們之間的電阻高達1012W的數量級,也就是說D、S之間不具備導電的溝道,所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓,都不會產生漏極電流ID。

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                            當將襯底B與源極S短接,在柵極G和源極S之間加正電壓,即UGS﹥0時,如下圖(a)所示,則在柵極與襯底之間產生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下,P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動,電子受電場的吸引向襯底表面運動,與襯底表面的空穴復合,形成了一層耗盡層。如果進一步提高UGS電壓,使UGS達到某一電壓UT時,P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡,而自由電子大量地被吸引到表面層,由量變到質變,使表面層變成了自由電子為多子的N型層,稱為“反型層”,如下圖(b)所示。反型層將漏極D和源極S兩個N+型區相連通,構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開啟電壓,用UT表示。顯然,只有UGS﹥UT時才有溝道,而且UGS越大,溝道越厚,溝道的導通電阻越小,導電能力越強。這就是為什么把它稱為增強型的緣故。


                            在UGS﹥UT的條件下,如果在漏極D和源極S之間加上正電壓UDS,導電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區流向源區,因為溝道有一定的電阻,所以沿著溝道產生電壓降,使溝道各點的電位沿溝道由漏區到源區逐漸減小,靠近漏區一端的電壓UGD最小,其值為UGD=UGS-UDS,相應的溝道最??;靠近源區一端的電壓最大,等于UGS,相應的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的,整個溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大,靠近漏區一端的溝道越來越薄。

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                            當UDS增大到某一臨界值,使UGD≤UT時,漏端的溝道消失,只剩下耗盡層,把這種情況稱為溝道“預夾斷”,如下圖(a)所示。繼續增大UDS(即UDS>UGS-UT),夾斷點向源極方向移動,如下圖(b)所示。盡管夾斷點在移動,但溝道區(源極S到夾斷點)的電壓降保持不變,仍等于UGS-UT。因此,UDS多余部分電壓[UDS-(UGS-UT)]全部降到夾斷區上,在夾斷區內形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區,當電子到達夾斷區邊緣時,受夾斷區強電場的作用,會很快的漂移到漏極.(插圖對電導的影響)。

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                            MOS管P溝道增強型與耗盡型

                            P溝道增強型MOS管的結構示意圖,通過光刻、擴散的方法或其他手段,在N型襯底(基片)上制作出兩個摻雜的P區,分別引出電極(源極S和漏極D),同時在漏極與源極之間的SO絕緣層上制作金屬,稱為柵極G。

                            在正常工作時,P溝道增強型MOS管的襯底必須與源極相連,而漏心極對源極的電壓Vds應為負值,以保證兩個P區與襯底之間的PN結均為反偏。

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                            P溝道耗盡型場效應管

                            耗盡型MOS場效應管,是在制造過程中,預先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子,因此,在UGS=0時,這些正離子產生的電場也能在P型襯底中“感應”出足夠的電子,形成N型導電溝道。當UDS>0時,將產生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0,則它將削弱正離子所形成的電場,使N溝道變窄,從而使ID減小。當UGS更負,達到某一數值時溝道消失,ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓,仍用UP表示。


                            耗盡型場效應管工作原理

                            (1)N溝道耗盡型場效應管

                            溝道耗盡型MOSFET的結構與增強型MOSFET結構類似,只有一點不同,就是N溝道耗盡型MOSFET在柵極電壓uGS=0時,溝道已經存在。該N溝道是在制造過程中應用離子注入法預先在襯底的表面,在D、S之間制造的,稱之為初始溝道。N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖1.(a)所示,它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。


                            所以當VGS=0時,這些正離子已經感應出反型層,形成了溝道。于是,只要有漏源電壓,就有漏極電流存在。當VGS>0時,將使ID進一步增加。VGS<0時,隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小,直至ID=0。對應ID=0的VGS稱為夾斷電壓,用符號VGS(off)表示,有時也用VP表示。


                            由于耗盡型MOSFET在uGS=0時,漏源之間的溝道已經存在,所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向柵壓uGS,柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應更多的電子,溝道變厚,溝道的電導增大。

                            如果在柵極加負電壓(即uGS<0=,就會在相對應的襯底表面感應出正電荷,這些正電荷抵消N溝道中的電子,從而在襯底表面產生一個耗盡層,使溝道變窄,溝道電導減小。


                            當負柵壓增大到某一電壓Up時,耗盡區擴展到整個溝道,溝道完全被夾斷(耗盡),這時即使uDS仍存在,也不會產生漏極電流,即iD=0。UP稱為夾斷電壓或閾值電壓,其值通常在–1V–10V之間N溝道耗盡型MOSFET的結構圖和轉移特性曲線分別如圖所示。

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                            N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線


                            (2)P溝道耗盡型場效應管

                            P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同,只不過導電的載流子不同,供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。


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