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绝缘栅型场效应管

       绝缘栅型场效应管,是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。金属氧化物半导体场效应管依照其沟道极性的不同,可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型,通常被称为N型金氧半场效晶体管(NMOSFET)与P型金氧半场效晶体管

  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。金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管。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。

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  N沟道增强型MOS管

  N沟道增强型MOS管的结构示意图如下。它以一块低参杂的P型硅片为衬底,利用扩散工艺制作两个高掺杂的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SiO2绝缘层,再在SiO2之上制作一层金属铝,引出电极,作为栅极g。通常将衬底和源极接在一起使用。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。当栅极和源极电压变化时,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。

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  工作原理:

  当栅极-源极之间不加电压时,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UDS=0且UGS>0时,由于SiO2绝缘层的存在,栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷,他们排斥P型衬底靠近SiO2绝缘层侧的空穴,使之剩下不能移动的负离子区,形成耗尽层。当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层薄区,称为反型层。这个反型层就构成了漏极-源极之间的导电通道。使沟道刚刚形成的栅极-源极电压称为开启电压UGS(th)。UGS越大,反型层越宽,导电沟道电阻愈小。

  当UGS是大于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。当UDS较小时,UDS的增大使iD线性增加,沟道沿源-漏方向逐渐变窄,一旦UDS增加到使UGD=UGS(th)(即UDS=UGS-UGS(th))时,沟道在漏极一侧出现夹断点,称为欲夹断。如果UDS继续增大,夹断区随之延长。而且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。从外面看,iD几乎不因UDS的增大而变化,管子进入横流区,iD几乎仅决定于UGS。

  在即UDS>UGS-UGS(th)时,对于每一个UGS就有一个确定的iD。此时,可将iD视为电压UGS控制的电流源。


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2018-11-06

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