【模电】绝缘栅型场效应管
绝缘栅型场效应管
- N沟道增强型MOS管
-
- 工作原理
- 特性曲线与电流方程
- N沟道耗尽型MOS管
- P沟道MOS管
- VMOS管
绝缘栅型场效应的栅极与源极、栅极、漏极之间均采用 S i O 2 SiO\tiny 2 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-源间电阻比结型场效应管大得多，可达 1 0 10 10^{10} 1010Ω以上，还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，而广泛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沟道增强型管和P沟道耗尽型管。凡栅-源电压 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管凡栅-源电压 U G S {U}{\tiny GS} UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。下面讨论它们的工作原理和特性。
N沟道增强型MOS管
N沟道增强型MOS管结构示意图如下所示。
它以一块低掺杂的P型硅片为衬底，利用扩散工艺制作两个高掺杂的 N + N^{+} N+区，并引出两个电极，分别为源极s和漏极d，半导体上制作一层 S i O 2 SiO\tiny 2 SiO2绝缘层，再在 S i O 2 SiO\tiny 2 SiO2之上制作一层金属铝，引出电极，作为栅极g。通常将衬底与源极接在一起使用。这样，栅极和衬底各相当于一个极板，中间是绝缘层，形成电容。当栅-源电压变化时，将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。可见，MOS管与结型场效应管电机理与电流控制的原理均不相同。
下图所示为N沟道和P沟道增强型的符号。
工作原理
当栅-源之间不加电压时，漏源之间是两只背向的PN结，不存在导电沟道，因此即使漏-源之间加电压，也不会有漏极电流。
当 u D S = 0 {\large u}{\tiny DS}=0 uDS=0且 u G S ＞ 0 {\large u}{\tiny GS}＞0 uGS＞0时，由于 S i O 2 SiO\tiny 2 SiO2的存在，栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷，它们排斥P型衬底靠近 S i O 2 SiO\tiny 2 SiO2一侧的空穴，使之剩下不能移动的负离子区，形成耗尽层，如下图所示。
当 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS增大时，一方面耗尽层增宽，另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间，形成一个N型薄层，称为反型层，如下图所示。
这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压 U G S ( t h ) {U}{\tiny GS(th)} UGS(th)。 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS越大，反型层越厚，导电沟道电阻越小。
当 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS是大于 U G S ( t h ) {U}{\tiny GS(th)} UGS(th)的一个确定值时，若在d-s之间加正向电压，则将产生一定的漏极电流。此时， u D S {\large u}{\tiny DS} uDS的变化对导电沟道的影响与结型场效应管相似。即当 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS较小时， u D S {\large u}{\tiny DS} uDS的增大时 i D i{\tiny D} iD线性增大，沟道沿源-漏方向逐渐变窄，如下图所示。
一旦 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS增大到使 u D S = U G S ( t h ) {\large u}{\tiny DS}={U}{\tiny GS(th)} uDS=UGS(th)(即 u D S = u G S − U G S ( t h ) {\large u}{\tiny DS}={\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(th)} uDS=uGS−UGS(th))时，沟道在漏极一侧出现夹断点，称为预夹断，如下图所示。
如果 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS继续增大，夹断区随之延长，如下图所示。
而且 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力。从外部看， i D i\tiny D iD几乎不因 u D S {\large u}{\tiny DS} uDS的增大而变化，管子进入恒流区， i D i\tiny D iD几乎仅决定于 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS。
在 u D S ＞ u G S − U G S ( t h ) {\large u}{\tiny DS}＞{\large u}{\tiny GS}-{U}{\tiny GS(th)} uDS＞uGS−UGS(th)时，对应于每一个 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS就有一个确定的 i D i\tiny D iD。此时，可将 i D i\tiny D iD视为电压 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS控制的电流源。
特性曲线与电流方程
下图(a)、图(b)分别为N沟道增强型MOS管的特性转移曲线和输出特性曲线，它们的关系间见中所标注。与结型场效应管一样。MOS管也有三个工作区域：可变电阻区、恒流区及夹断区，如图中所标注。
与结型场效应管相类似， i D i\tiny D iD与 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS的近似关系为：
i D = I D O ( u G S U G S ( t h ) − 1 ) 2 {i\tiny D}={I\tiny DO}(\frac {\large u\tiny GS}{U\tiny GS(th)}-1)^2 iD=IDO(UGS(th)uGS−1)2
式中 I D O {I\tiny DO} IDO是 u G S = 2 U G S ( t h ) {\large u}{\tiny GS}=2{U\tiny GS(th)} uGS=2UGS(th)时的 i D i\tiny D iD。
N沟道耗尽型MOS管
如果在制造MOS管时，在 S i O 2 SiO\tiny 2 SiO2绝缘层中掺入大量正离子，那么即使 u G S = 0 {\large u}{\tiny GS}=0 uGS=0，在正离子作用下P型衬底表层也存在反型层，即漏-源之间存在导电沟道。只要在漏-源间加正向电压，就会产生漏极电流，如下图所示。
并且， u G S {\large u}{\tiny GS} uGS为正时，反型层变宽，沟道电阻变小， i D i\tiny D iD增大，反之 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS为负时，反型层变窄，沟道电阻变大， i D i\tiny D iD减小。而当 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS从零减小到一定值时，反型层消失，漏-源之间导电沟道消失， i D = 0 {i\tiny D}=0 iD=0。此时的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS称为夹断电压 u G S ( o f f ) {\large u}{\tiny GS(off)} uGS(off)。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压也为负值。但是，前者只能在 u G S ＜ 0 {\large u}{\tiny GS}＜0 uGS＜0的情况下工作，而后者的 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS可以在正、负值的一定范围内对 i D i\tiny D iD的控制，且仍保持栅-源间有非常大的绝缘电阻。
耗尽型MOS管的符号如下图所示。
P沟道MOS管
与N沟道MOS管相对应，P沟道增强型MOS管的开启电压 U G S ( t h ) ＜ 0 {U}{\tiny GS(th)}＜0 UGS(th)＜0，当 u G S ＜ U G S ( t h ) {\large u}{\tiny GS}＜{U}{\tiny GS(th)} uGS＜UGS(th)时管子才导通，漏-源之间应加负电源电压；P沟道耗尽型MOS管的夹断电压 u G S ( o f f ) ＞ 0 {\large u}{\tiny GS(off)}＞0 uGS(off)＞0， u G S {\large u}{\tiny GS} uGS可在正负值一定的范围内实现对 i D i\tiny D iD的控制，漏-源之间也应加负电压。
VMOS管
当MOS管工作在恒流区时，管子的耗散功率主要消耗在漏极一端的夹断区上，并且由于漏极所连接的区域(称为漏区)不大，无法散发很多的热量，所以MOS管不能承受较大功率。VMOS管从结构上较好地解决了散热问题，故可制成大功率管，下图所示为N沟道增强型VMOS管的示意图。
VMOS以高掺杂 N + N^{+} N+区为衬底，上面外延低掺杂N区，共同作为漏区，引出漏极。在外延层N区上有形成一层P区，并在P区之上制成高掺杂 N + N^{+} N+区。从上面俯视VMOS管P区与 N + N^{+} N+区，可以看到它们均为环状区，所引出的电极为源极。中间是腐蚀而成的V型槽，其上生长一层绝缘层，并覆盖上一层金属，作为栅极。VMOS管因存在V型槽而得名。
在栅-源电压 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS大于开启电压 U G S ( t h ) U{\tiny GS(th)} UGS(th)时，在P区靠近V型槽氧化层表面所形成的反型层与下边N区相接，形成垂直的导电沟道，见上图中所标注。当漏-源间外加正电源时，自由电子将沿沟道从源极流向N型外延层、 N + N^{+} N+区衬底到漏极，形成从漏极到源极的电流 i D i\tiny D iD。
VMOS管的漏区散热面积大，便于安装散热器，耗散功率最大可达千瓦以上；此外，其漏-源击穿电压高，上限工作频率高，而且当漏极电流大于某值(如500mA)时， i D i\tiny D iD与 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS基本成线性关系，场效应管的符号及特性如下图所示。
应当指出，如果MOS管的衬底不与源极相连接，则衬-源之间电压 U B S {U}{\tiny BS} UBS必须保证衬-源间的PN结反向偏置，因此，N沟道管的 U B S {U}{\tiny BS} UBS应小于零，而P沟道管的 U B S {U}{\tiny BS} UBS应大于零。此时导电沟道宽度将受 u G S {\large u}{\tiny GS} uGS和 U B S {U}{\tiny BS} UBS重控制， U B S {U}{\tiny BS} UBS使开启电压或夹断电压的数值增大。比较而言，N沟道管受 U B S {U}{\tiny BS} UBS的影响更大些。