【圖】絕緣柵場效應管(MOSFET)內部結構及工作原理
(2023/12/1 6:59:00)
絕緣柵場效應管(MOSFET)內部結構及工作原理
絕緣柵場效應管(MOSFET)內部結構及工作原理
3.2.1 絕緣柵場效應管基本結構和類型
絕緣柵場效應管也可有N溝道與P 溝道兩種類型。N溝道IGFET的基本 結構如圖3.5所示，它用一塊雜質濃度較低的P型薄硅片做襯底，在其
頂部形成兩個高摻雜的N+區，分別作為器件的源區和漏區，并相應地 引出兩個電極：源極S和漏極D。在源區與漏區之間的P型襯底平面利用
氧化工藝生長一層極薄的二氧化硅絕緣層， 在該絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極 作為柵極G。襯底引出一個歐姆接觸電
極，稱為襯底電極，用符號B表示。這 種器件的柵極與襯底表面的絕緣層 是SiO2，故把它稱為金屬–氧化物–半 導體場效應管。即MOSFET。
根據在柵源電壓UGS＝0時，漏源之間是否存在導電溝道的情況，MOSFET又可分為增強型和耗盡型兩種類型，分別用EMOSFET和DMOSFET表示。當UGS＝0時，D、S之間無導電溝道存在，就稱為增強型器件；當UGS＝0時，D、S之間有導電溝道存在，就稱為耗盡型器件。這樣，MOSFET共有4類：N溝道增強型MOSFET；N溝道耗盡型MOSFET；P溝道增強型MOSFET和P溝道耗盡型MOSFET。它們的符號分別由圖3.6所示。
3.2.2 N溝道增強型MOSFET
前面我們已經討論了N溝道IGFET的基本結構，如圖3.5所示，如果在制作MOSFET時，在二氧化硅絕緣層中不摻正離子，則就是N溝道增強型MOSFET，若摻入大量正離子，則為N溝道耗盡型MOSFET，下面我們來討論N溝道增強型MOSFET的工作原理及相應的特性。
1.N溝道增強型MOSFET的工作原理
當器件工作在恒流區也就是在放大狀態時，其工作原理與JFET不盡相同。此時N溝道增強型MOSFET的襯底電極B必須接在電路中的最低電位上或與源極相接。而UDS＞0，這樣使DS的兩個N+區與襯底之間始終處在反偏狀態。UGS必須加正極性的電壓，以保證形成漏源之間的導電溝道。下面具體討論。
(1) UGS對ID的控制
當UGS＝0時，N+源區與漏區之間被P型襯底所隔開，就好像兩個背靠背的PN結，故漏源無電流流過，這時，可認為管子處于夾斷狀態。當UGS＞0時，在柵極與襯底之間形成了由柵極指向襯底的電場。此時柵極與襯底之間極薄的SiO2絕緣層猶如一個平板電容器的介質，在電場的作用下，P型襯底中不少子自由電子被吸引到襯底表面處，而多子空穴被排斥離開襯底表面。隨著UGS的增加，柵極垂直于襯底表面的電場也增強，被吸引到襯底表面的自由電子也越多。一旦當UGS增加到某一電壓UT時，襯底表面的自由電子數量就大于空穴數量，于是在襯底的表面形成了與P型材料相反的N型區，它把源區和漏區相互連接起來，形成了源漏區之間的導電通路。這一N型層通常稱之為反型層，相應的開始形成反型層所需的柵源電壓UT稱為開啟電壓，其大小一般在2～10V之間。如果此時繼續加大UGS，則相應的反型層厚度就隨之加大，導電能力也就越強。說明N溝道增強型MOSFET溝道形成的示意圖如圖3.7所示。UGS對溝道的控制結果也就達到了對ID控制的目的，其具體情況可由轉移特性來表示，即Id=f(Ugs)|Ugs=常數.
絕緣柵場效應管(MOSFET)內部結構及工作原理
3.2.1 絕緣柵場效應管基本結構和類型
絕緣柵場效應管也可有N溝道與P 溝道兩種類型。N溝道IGFET的基本 結構如圖3.5所示，它用一塊雜質濃度較低的P型薄硅片做襯底，在其
頂部形成兩個高摻雜的N+區，分別作為器件的源區和漏區，并相應地 引出兩個電極：源極S和漏極D。在源區與漏區之間的P型襯底平面利用
氧化工藝生長一層極薄的二氧化硅絕緣層， 在該絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極 作為柵極G。襯底引出一個歐姆接觸電
極，稱為襯底電極，用符號B表示。這 種器件的柵極與襯底表面的絕緣層 是SiO2，故把它稱為金屬–氧化物–半 導體場效應管。即MOSFET。
根據在柵源電壓UGS＝0時，漏源之間是否存在導電溝道的情況，MOSFET又可分為增強型和耗盡型兩種類型，分別用EMOSFET和DMOSFET表示。當UGS＝0時，D、S之間無導電溝道存在，就稱為增強型器件；當UGS＝0時，D、S之間有導電溝道存在，就稱為耗盡型器件。這樣，MOSFET共有4類：N溝道增強型MOSFET；N溝道耗盡型MOSFET；P溝道增強型MOSFET和P溝道耗盡型MOSFET。它們的符號分別由圖3.6所示。
3.2.2 N溝道增強型MOSFET
前面我們已經討論了N溝道IGFET的基本結構，如圖3.5所示，如果在制作MOSFET時，在二氧化硅絕緣層中不摻正離子，則就是N溝道增強型MOSFET，若摻入大量正離子，則為N溝道耗盡型MOSFET，下面我們來討論N溝道增強型MOSFET的工作原理及相應的特性。
1.N溝道增強型MOSFET的工作原理
當器件工作在恒流區也就是在放大狀態時，其工作原理與JFET不盡相同。此時N溝道增強型MOSFET的襯底電極B必須接在電路中的最低電位上或與源極相接。而UDS＞0，這樣使DS的兩個N+區與襯底之間始終處在反偏狀態。UGS必須加正極性的電壓，以保證形成漏源之間的導電溝道。下面具體討論。
(1) UGS對ID的控制
當UGS＝0時，N+源區與漏區之間被P型襯底所隔開，就好像兩個背靠背的PN結，故漏源無電流流過，這時，可認為管子處于夾斷狀態。當UGS＞0時，在柵極與襯底之間形成了由柵極指向襯底的電場。此時柵極與襯底之間極薄的SiO2絕緣層猶如一個平板電容器的介質，在電場的作用下，P型襯底中不少子自由電子被吸引到襯底表面處，而多子空穴被排斥離開襯底表面。隨著UGS的增加，柵極垂直于襯底表面的電場也增強，被吸引到襯底表面的自由電子也越多。一旦當UGS增加到某一電壓UT時，襯底表面的自由電子數量就大于空穴數量，于是在襯底的表面形成了與P型材料相反的N型區，它把源區和漏區相互連接起來，形成了源漏區之間的導電通路。這一N型層通常稱之為反型層，相應的開始形成反型層所需的柵源電壓UT稱為開啟電壓，其大小一般在2～10V之間。如果此時繼續加大UGS，則相應的反型層厚度就隨之加大，導電能力也就越強。說明N溝道增強型MOSFET溝道形成的示意圖如圖3.7所示。UGS對溝道的控制結果也就達到了對ID控制的目的，其具體情況可由轉移特性來表示，即Id=f(Ugs)|Ugs=常數.
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