在结型场效应管中,栅极和沟道间的pn结是反向偏置的,所以输入电阻很大。但pn结反偏时总会有一些反向电流存在,这就限制了输入电阻的进一步提高。如果在栅极与沟道间用一绝缘层隔开,便制成了绝缘栅型场效应管,其输入电阻可提高到。根据绝缘层所用材料之不同,绝缘栅场效应管有多种类型,目前应用最广泛的一种是以二氧化硅(sio2)为绝缘层的金属一氧化物一半导体(meial-oxide-semiconductor)场效应管,简称mos场效应管(mosfet)。它也有n沟道和p沟道两类,每类按结构不同又分为增强型和耗尽型。
一、增强型mos管
1.结构与符号
图z0125是n沟道增强型mos管的结构示意图和符号。它是在一块p型硅衬底上,扩散两个高浓度掺杂的n+区,在两个n+区之间的硅表面上制作一层很薄的二氧化硅(sio2)绝缘层,然后在sio2和两个n型区表面上分别引出三个电极,称为源极s、栅极g和漏极d。在其图形符号中,箭头表示漏极电流的实际方向。
2.工作原理
绝缘栅场效应管的导电机理是,利用ugs 控制感应电荷的多少来改变导电沟道的宽窄,从而控制漏极电流id。若ugs=0时,源、漏之间不存在导电沟道的为增强型mos管,ugs=0 时,漏、源之间存在导电沟道的为耗尽型mos管。
图z0125中衬底为p型半导体,在它的上面是一层sio2薄膜、在sio2薄膜上盖一层金属铝,如果在金属铝层和半导体之间加电压ugs,则金属铝与半导体之间产生一个垂直于半导体表面的电场,在这一电场作用下,p型硅表面的多数载流子-空穴受到排斥,使硅片表面产生一层缺乏载流子的薄层。同时在电场作用下,p型半导体中的少数载流子-电子被吸引到半导体的表面,并被空穴所俘获而形成负离子,组成不可移动的空间电荷层(称耗尽层又叫受主离子层)。ugs愈大,电场排斥硅表面层中的空穴愈多,则耗尽层愈宽,且ugs愈大,电场愈强;当ugs 增大到某一栅源电压值vt(叫临界电压或开启电压)时,则电场在排斥半导体表面层的多数载流子-空穴形成耗尽层之后,就会吸引少数载流子-电子,继而在表面层内形成电子的积累,从而使原来为空穴占多数的p型半导体表面形成了n型薄层。由于与p型衬底的导电类型相反,故称为反型层。在反型层下才是负离子组成的耗尽层。这一n型电子层,把原来被pn结高阻层隔开的源区和漏区连接起来,形成导电沟道。
用图z0126所示电路来分析栅源电压ugs控制导电沟道宽窄,改变漏极电流id 的关系:当ugs=0时,因没有电场作用,不能形成导电沟道,这时虽然漏源间外接有ed电源,但由于漏源间被p型衬底所隔开,漏源之间存在两个pn结,因此只能流过很小的反向电流,id ≈0;当ugs>0并逐渐增加到vt 时,反型层开始形成,漏源之间被n沟道连成一体。这时在正的漏源电压uds作用下;n沟道内的多子(电子)产生漂移运动,从源极流向漏极,形成漏极电流id。显然,ugs愈高,电场愈强,表面感应出的电子愈多,n型沟道愈宽沟道电阻愈小,id愈大。
3.输出特性曲线
n沟道增强型mos管输出特性曲线如图z0127所示,它是ugs为不同定值时,id 与uds之间关系的一簇曲线。由图可见,各条曲线变化规律基本相同。现以ugs=5v一条曲线为例来进行分析。设ugs >vt,导电沟道已形成。当uds= 0时,沟道里没有电子的定向运动,id=0;当uds>0且较小时,沟道基本保持原状,表现出一定电阻,id随uds线性增大 ;当uds较大时,由于电阻沿沟道递增,使uds沿沟道的电位从漏端到源端递降,所以沿沟道的各点上,栅极与沟道间的电位差沿沟道从d至s极递增,导致垂直于p型硅表面的电场强度从d至s极也递增,从而形成沟道宽度不均匀,漏端最窄,源端最宽如图z0126所示。随着uds的增加,漏端沟道变得更窄,电阻相应变大,id上升变慢 ;当uds继续增大到uds =ugs - vt时,近漏端的沟道开始消失,漏端一点处被夹断;如果uds再增加,将出现夹断区。这时,uds增加的部分基本上降在夹断区上,使夹断部分的耗尽层变得更厚,而未夹断的导电沟道不再有多大变化,所以id将维持刚出现夹断时的数值,趋于饱和,管子呈现恒流特性。
对于不同的ugs值,沟道深浅也不同,ugs愈大,沟道愈深。在恒流区,对于相同的uds 值,ugs大的id 也较大,表现为输出特性曲线上移。
二、耗尽型mos管
n沟道耗尽型mos管和n沟道增强型mos管的结构基本相同。差别在于耗尽型mos管的sio2绝缘层中掺有大量的正离子,故在ugs= 0时,就在两个n十区之间的p型表面层中感应出大量的电子来,形成一定宽度的导电沟道。这时,只要uds>0就会产生id。
对于n沟道耗尽型mos管,无论ugs为正或负,都能控制id的大小,并且不出现栅流。这是耗尽型mos管区别于增强型mos管的主要特点。
对于p沟道场效应管,其工作原理,特性曲线和n沟道相类似。仅仅电源极性和电流方向不同而已。