金属-氧化物-半导体场效应管

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1、金属－氧化物－半导体场效应管   结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是PN结的反向电阻，在高温条件下工作时，PN结反向电流增大，反向电阻值明显下降。与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（简称MOS管）的栅场与半导体之间隔有二氧化硅SiO2绝缘介质，即它的栅极处于绝缘状态（又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015W。它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造规模及超大规模集成电路。   MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又可分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型MOS

2、管在栅源电压vGS=0时，漏源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压vDS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（iD=0）。而耗尽型MOS管在vGS=0时，漏源极间就有导电沟道存在。   在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极D和源极S。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极；作为栅极。另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。图5.2.1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表

3、符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图XX_01所示。1．vGS对iD及沟道的控制作用MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。从图XX_01(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅源电压vGS=0时，即使另上漏源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。若在栅源极间加上正向电压，即vGS＞0，则在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排

4、斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的少子电子被吸引到衬底表面。当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏源极之间仍无导电沟道出现，如图XX_01(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层如图XX_01(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道就越厚，沟道电阻将越小。我们把开

5、始形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用VT表示。由以上分析可知，N沟道增强型MOS管在vGS＜VT时，导电沟道还未形成，这时管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成，此时若在漏源极间加上正向电压vDS，将有漏极电流产生。而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的场效应管称为增强型场效应管。2．vDS对iD的影响如图XX_02(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，正向电压vDS对导电沟道及电流ID的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，

6、这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为vGD=vGS-vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS

7、程N沟道增强型MOS管的输出特性曲线如图XX_01(a)所示。与结型场效应管一样，其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图XX_01(b)所示，由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区)，在饱和区内iD几乎不随vDS而变化，即不同的vDS所对应的转移特性曲线几乎是重合的，所以可用vDS大于某一数值(vDS＞vGS-VT)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线。与结型场效应管相类似，在饱和区内，iD与vGS的近似关系式为(vGS＞VT