【基礎(chǔ)知識(shí)】MOS場效應(yīng)管的增強(qiáng)型和耗盡型的區(qū)別
2017-8-26 7:50:17??????點(diǎn)擊：
依據(jù)導(dǎo)電方式的不同，直流穩(wěn)壓電源MOSFET又分增強(qiáng)型、耗盡型。所謂增強(qiáng)型是指：當(dāng)VGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顩r，加上正確的VGS后，大都載流子被招引到柵極，然后“增強(qiáng)”了該區(qū)域的載流子，構(gòu)成導(dǎo)電溝道。
N溝道增強(qiáng)型直流穩(wěn)壓電源MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝分散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個(gè)是漏極D，一個(gè)是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G。
當(dāng)VGS＝0 V時(shí)，漏源之間相當(dāng)兩個(gè)背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓不會(huì)在D、S間構(gòu)成電流。
當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過柵極和襯底間構(gòu)成的電容電場效果，將接近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的多子空穴向下方排擠，呈現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層；一起將招引其間的少子向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以構(gòu)成導(dǎo)電溝道，將漏極和源極交流，所以依然不足以構(gòu)成漏極電流ID。
進(jìn)一步添加VGS，當(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th)稱為敞開電壓），因?yàn)榇丝痰臇艠O電壓現(xiàn)已比較強(qiáng)，在接近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中集合較多的電子，能夠構(gòu)成溝道，將漏極和源極交流。如果此刻加有漏源電壓，就能夠構(gòu)成漏極電流ID。在柵極下方構(gòu)成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反,故稱為反型層。跟著VGS的持續(xù)添加,ID將不斷添加。在VGS＝0V時(shí)ID＝0，只需當(dāng)VGS＞VGS(th)后才會(huì)呈現(xiàn)漏極電流，所以,這種直流穩(wěn)壓電源MOS管稱為增強(qiáng)型直流穩(wěn)壓電源MOS管。
VGS對(duì)漏極電流的操控聯(lián)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描繪，稱為搬運(yùn)特性曲線，見圖1.。
搬運(yùn)特性曲線的斜率gm的巨細(xì)反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的操控效果。 gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)?？鐚?dǎo)。
圖1. 搬運(yùn)特性曲線
圖2—54（a）為N溝道增強(qiáng)型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖，其電路符號(hào)如圖2—54（b）所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，使用分散工藝在襯底上分散兩個(gè)高摻雜濃度的N型區(qū)（用N+表明），并在此N型區(qū)上引出兩個(gè)歐姆觸摸電極，別離稱為源極（用S表明）和漏極（用D表明）。在源區(qū)、漏區(qū)之間的襯底外表掩蓋一層二氧化硅（SiO2）絕緣層，在此絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極作為柵極（用G表明）。從襯底引出一個(gè)歐姆觸摸電極稱為襯底電極（用B表明）。因?yàn)闁艠O與其它電極之間是彼此絕緣的，所以稱它為絕緣柵型場效應(yīng)管。圖2—54（a）中的L為溝道長度，W為溝道寬度。
圖2—54所示的直流穩(wěn)壓電源MOSFET，當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=0
時(shí),因?yàn)槁O和源極兩個(gè)N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012W的數(shù)量級(jí)，也就是說D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)發(fā)生漏極電流ID。
當(dāng)將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即UGS﹥0時(shí),如圖2—55（a）所示，則在柵極與襯底之間發(fā)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場。在這個(gè)電場的效果下，P襯底外表鄰近的空穴遭到排擠將向下方運(yùn)動(dòng)，電子受電場的招引向襯底外表運(yùn)動(dòng)，與襯底外表的空穴復(fù)合，構(gòu)成了一層耗盡層。如果進(jìn)一步進(jìn)步UGS電壓，使UGS達(dá)到某一電壓UT時(shí)，P襯底外表層中空穴悉數(shù)被排擠和耗盡，而自由電子很多地被招引到外表層，由量變到突變，使外表層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如圖2—55（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)N+型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開端構(gòu)成導(dǎo)電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或敞開電壓，用UT表明。明顯，只需UGS﹥UT時(shí)才有溝道，并且UGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電才能越強(qiáng)。這就是為什么把它稱為增強(qiáng)型的緣故。
在UGS﹥UT的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓UDS，導(dǎo)電溝道就會(huì)有電流流轉(zhuǎn)。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因?yàn)闇系烙斜囟ǖ碾娮瑁匝刂鴾系腊l(fā)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐步減小，接近漏區(qū)一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相應(yīng)的溝道最?。唤咏磪^(qū)一端的電壓最大，等于UGS,相應(yīng)的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈歪斜狀。跟著UDS的增大，接近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。
當(dāng)UDS增大到某一臨界值，使UGD≤UT時(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種狀況稱為溝道“預(yù)夾斷”，如圖2—56（a）所示。持續(xù)增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，如圖2—56（b）所示。雖然夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區(qū)（源極S到夾斷點(diǎn)）的電壓降堅(jiān)持不變，仍等于UGS－UT。因而,UDS剩余部分電壓[UDS－(UGS－UT)]悉數(shù)降到夾斷區(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)構(gòu)成較強(qiáng)的電場。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子抵達(dá)夾斷區(qū)邊際時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場的效果，會(huì)很快的漂移到漏極。
耗盡型。耗盡型是指，當(dāng)VGS=0時(shí)即構(gòu)成溝道，加上正確的VGS時(shí)，能使大都載流子流出溝道，因而“耗盡”了載流子，使管子轉(zhuǎn)向截止。
耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOS場效應(yīng)管，是在制作過程中，預(yù)先在SiO2絕緣層中摻入很多的正離子，因而，在UGS=0時(shí)，這些正離子發(fā)生的電場也能在P型襯底中“感應(yīng)”出滿足的電子，構(gòu)成N型導(dǎo)電溝道。
當(dāng)UDS>0時(shí)，將發(fā)生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0，則它將削弱正離子所構(gòu)成的電場，使N溝道變窄，然后使ID減小。當(dāng)UGS更負(fù)，達(dá)到某一數(shù)值時(shí)溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱為夾斷電壓，仍用UP表明。UGS N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型直流穩(wěn)壓電源MOSFET結(jié)構(gòu)相似，只需一點(diǎn)不同，就是N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET在柵極電壓uGS=0時(shí)，溝道現(xiàn)已存在。該N溝道是在制作過程中使用離子注入法預(yù)先在襯底的外表，在D、S之間制作的，稱之為初始溝道。N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖1.（a）所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了很多的金屬正離子。所以當(dāng)VGS＝0時(shí)，這些正離子現(xiàn)已感應(yīng)出反型層，構(gòu)成了溝道。所以，只需有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步添加。VGS＜0時(shí)，跟著VGS的減小漏極電流逐步減小，直至ID＝0。對(duì)應(yīng)ID＝0的VGS稱為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表明，有時(shí)也用VP表明。N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的搬運(yùn)特性曲線如圖1.（b）所示。
(a) 結(jié)構(gòu)示意圖 (b) 搬運(yùn)特性曲線
圖1. N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的結(jié)構(gòu)和搬運(yùn)特性曲線
因?yàn)楹谋M型直流穩(wěn)壓電源MOSFET在uGS=0時(shí)，漏源之間的溝道現(xiàn)已存在，所以只需加上uDS,就有iD流轉(zhuǎn)。如果添加正向柵壓uGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應(yīng)更多的電子，溝道變厚，溝道的電導(dǎo)增大。
如果在柵極加負(fù)電壓（即uGS＜0＝，就會(huì)在相對(duì)應(yīng)的襯底外表感應(yīng)出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，然后在襯底外表發(fā)生一個(gè)耗盡層，使溝道變窄，溝道電導(dǎo)減小。當(dāng)負(fù)柵壓增大到某一電壓Up時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道，溝道徹底被夾斷（耗盡），這時(shí)即便uDS仍存在，也不會(huì)發(fā)生漏極電流，即iD=0。UP稱為夾斷電壓或閾值電壓，其值通常在–1V–10V之間N溝道耗盡型直流穩(wěn)壓電源MOSFET的輸出特性曲線和搬運(yùn)特性曲線別離如圖2—60（a）、（b）所示。
在可變電阻區(qū)內(nèi)，iD與uDS、uGS的聯(lián)系仍為
在恒流區(qū)，iD與uGS的聯(lián)系仍滿足式（2—81），即
若考慮uDS的影響，iD可近似為
對(duì)耗盡型場效應(yīng)管來說，式（2—84）也可表明為
式中，IDSS稱為uGS=0時(shí)的飽滿漏電流，其值為
P溝道直流穩(wěn)壓電源MOSFET的作業(yè)原理與N溝道直流穩(wěn)壓電源MOSFET徹底相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同罷了。這好像雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
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