MOS场效应管的基本结构和工作原理

时间：2023-03-13作者：佚名

图1 N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号

　　MOS场效应三极管分为：增强型（又有N沟道、P沟道之分）及耗尽型（分有N沟道、P沟道）。N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见图1。其中：电极 D（Drain）称为漏极，相当双极型三极管的集电极；

　　电极 G（Gate）称为栅极，相当于的基极；
　　电极 S（Source）称为源极，相当于发射极。

　　1．N沟道增强型MOSFET
　　（1）结构
　　根据图1，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。P型半导体称为衬底，用符号B表示　　（2）工作原理
　　① 栅源电压VGS的控制作用
　　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，通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，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，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)|VDS＝const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图2。
　　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。

图2 转移特性曲线

　　跨导的定义式如下：
　　　　　gm＝△ID/△VGS|VDS=const (单位mS) （1）
　　②漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用
　　当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。VDS的不同变化对沟道的影响如图33所示。根据此图可以有如下关系
　　　　　　　VDS＝VDG＋VGS＝－VGD＋VGS
　　　　　　　VGD＝VGS－VDS
　　当VDS为0或较小时，相当VGD＞VGS(th)，沟道分布如图3 (a)，此时VDS 基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。
　　当VDS增加到使VGD＝VGS(th)时，沟道如图3(b)所示。这相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流ID基本饱和。当VDS增加到VGD＜VGS(th)时，沟道如图3 (c)所示。此时预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。

图3 漏源电压VDS对沟道的影响

　　当VGS＞VGS(th),且固定为某一值时,VDS对ID的影响, 即iD＝f(VDS)|VGS＝const这一关系曲线如图4所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。

(a) 输出特性曲线　　　　　　　(b)转移特性曲线
图4 漏极输出特性曲线和转移特性曲线

　　2．N沟道耗尽型MOSFET
　　N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图5（a）所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS＝0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID＝0。对应ID＝0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图5（b）所示。