Mos管(guan)增强型(xing)和耗尽(jin)型(xing)

增强型场效应管

所谓增(zeng)强(qiang)型(xing)是指(zhi)：当VGS=0时管子(zi)是呈截止状(zhuang)态，加(jia)(jia)上正(zheng)确的(de)(de)(de)(de)VGS后(hou)(hou)，多(duo)数载(zai)流子(zi)被吸(xi)引(yin)到栅(zha)极，从(cong)而(er)“增(zeng)强(qiang)”了该区域(yu)的(de)(de)(de)(de)载(zai)流子(zi)，形(xing)成(cheng)(cheng)导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)。当栅(zha)极加(jia)(jia)有(you)电(dian)压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通(tong)过栅(zha)极和衬底间形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)电(dian)容电(dian)场作用，将(jiang)(jiang)靠近(jin)栅(zha)极下(xia)方的(de)(de)(de)(de)P型(xing)半导(dao)(dao)体(ti)中的(de)(de)(de)(de)多(duo)子(zi)空穴向下(xia)方排(pai)斥(chi)，出现了一薄(bo)层(ceng)(ceng)负离子(zi)的(de)(de)(de)(de)耗尽层(ceng)(ceng)；同时将(jiang)(jiang)吸(xi)引(yin)其中的(de)(de)(de)(de)少子(zi)向表(biao)层(ceng)(ceng)运动(dong)，但数量有(you)限(xian)，不足以(yi)(yi)形(xing)成(cheng)(cheng)导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)，将(jiang)(jiang)漏(lou)(lou)(lou)极和源(yuan)极沟(gou)(gou)通(tong)，所以(yi)(yi)仍然不足以(yi)(yi)形(xing)成(cheng)(cheng)漏(lou)(lou)(lou)极电(dian)流ID。进一步增(zeng)加(jia)(jia)VGS，当VGS＞VGS(th)时（ VGS(th)称为(wei)(wei)开(kai)启电(dian)压），由于此(ci)时的(de)(de)(de)(de)栅(zha)极电(dian)压已(yi)经比较(jiao)强(qiang)，在(zai)(zai)靠近(jin)栅(zha)极下(xia)方的(de)(de)(de)(de)P型(xing)半导(dao)(dao)体(ti)表(biao)层(ceng)(ceng)中聚集较(jiao)多(duo)的(de)(de)(de)(de)电(dian)子(zi)，可(ke)以(yi)(yi)形(xing)成(cheng)(cheng)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)，将(jiang)(jiang)漏(lou)(lou)(lou)极和源(yuan)极沟(gou)(gou)通(tong)。如果(guo)此(ci)时加(jia)(jia)有(you)漏(lou)(lou)(lou)源(yuan)电(dian)压，就可(ke)以(yi)(yi)形(xing)成(cheng)(cheng)漏(lou)(lou)(lou)极电(dian)流ID。在(zai)(zai)栅(zha)极下(xia)方形(xing)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)中的(de)(de)(de)(de)电(dian)子(zi)，因与P型(xing)半导(dao)(dao)体(ti)的(de)(de)(de)(de)载(zai)流子(zi)空穴极性相反(fan),故称为(wei)(wei)反(fan)型(xing)层(ceng)(ceng)。随(sui)着VGS的(de)(de)(de)(de)继续增(zeng)加(jia)(jia),ID将(jiang)(jiang)不断(duan)增(zeng)加(jia)(jia)。在(zai)(zai)VGS＝0V时ID＝0，只(zhi)有(you)当VGS＞VGS(th)后(hou)(hou)才会出现漏(lou)(lou)(lou)极电(dian)流，所以(yi)(yi),这种MOS管称为(wei)(wei)增(zeng)强(qiang)型(xing)MOS管。VGS对漏(lou)(lou)(lou)极电(dian)流的(de)(de)(de)(de)控(kong)制关系可(ke)用iD＝f(VGS(th))|VDS=const这一曲(qu)线描(miao)述，称为(wei)(wei)转移特性曲(qu)线，如下(xia)图

增强型场效应管工作原理

（1）N沟(gou)道(dao)增强(qiang)型场效应管(guan)

N沟道(dao)增强型(xing)MOSFET基本上(shang)是一种左右对称的(de)拓(tuo)扑(pu)结(jie)构，它是在P型(xing)半(ban)导体(ti)上(shang)生成一层(ceng)SiO2 薄膜(mo)绝(jue)缘层(ceng)，然后用光刻工艺扩散两个高(gao)掺杂的(de)N型(xing)区(qu)，从N型(xing)区(qu)引(yin)出电(dian)极(ji)（漏极(ji)D、源(yuan)极(ji)S）。在源(yuan)极(ji)和(he)漏极(ji)之间(jian)(jian)的(de)绝(jue)缘层(ceng)上(shang)镀一层(ceng)金属铝作(zuo)为栅极(ji)G。P型(xing)半(ban)导体(ti)称为衬底，用符号B表示。栅源(yuan)电(dian)压VGS的(de)控制作(zuo)用：当(dang)VGS=0 V时(shi)，漏源(yuan)之间(jian)(jian)相(xiang)当(dang)两个背靠背的(de)二极(ji)管(guan)，在D、S之间(jian)(jian)加上(shang)电(dian)压不会在D、S间(jian)(jian)形成电(dian)流(liu)。

N沟(gou)道增(zeng)强型(xing)MOSFET的结构示(shi)(shi)意图(tu)，如下图(tu)所示(shi)(shi)。它是用(yong)(yong)(yong)一(yi)块掺(chan)杂浓度较低的P型(xing)硅片作为(wei)衬(chen)底(di)，利用(yong)(yong)(yong)扩散工艺在(zai)衬(chen)底(di)上扩散两个高掺(chan)杂浓度的N型(xing)区(qu)（用(yong)(yong)(yong)N+表(biao)(biao)示(shi)(shi)），并在(zai)此(ci)N型(xing)区(qu)上引(yin)出两个欧姆接触电(dian)(dian)极(ji)，分(fen)别称为(wei)源极(ji)（用(yong)(yong)(yong)S表(biao)(biao)示(shi)(shi)）和漏(lou)极(ji)（用(yong)(yong)(yong)D表(biao)(biao)示(shi)(shi)）。在(zai)源区(qu)、漏(lou)区(qu)之间(jian)的衬(chen)底(di)表(biao)(biao)面覆盖一(yi)层(ceng)二(er)氧(yang)化硅（SiO2）绝缘层(ceng)，在(zai)此(ci)绝缘层(ceng)上沉积(ji)出金属(shu)铝(lv)层(ceng)并引(yin)出电(dian)(dian)极(ji)作为(wei)栅(zha)(zha)极(ji)（用(yong)(yong)(yong)G表(biao)(biao)示(shi)(shi)）。从(cong)衬(chen)底(di)引(yin)出一(yi)个欧姆接触电(dian)(dian)极(ji)称为(wei)衬(chen)底(di)电(dian)(dian)极(ji)（用(yong)(yong)(yong)B表(biao)(biao)示(shi)(shi)）。由于栅(zha)(zha)极(ji)与(yu)其它电(dian)(dian)极(ji)之间(jian)是相互绝缘的，所以称它为(wei)绝缘栅(zha)(zha)型(xing)场效应管。

当栅(zha)极(ji)(ji)G和源(yuan)极(ji)(ji)S之(zhi)间不加(jia)任何电(dian)压，即UGS=0时,由于漏(lou)极(ji)(ji)和源(yuan)极(ji)(ji)两个(ge)(ge)N+型区(qu)之(zhi)间隔有P型衬底，相当于两个(ge)(ge)背(bei)(bei)靠背(bei)(bei)连(lian)接的(de)(de)PN结，它们之(zhi)间的(de)(de)电(dian)阻高达1012W的(de)(de)数量级，也就(jiu)是说(shuo)D、S之(zhi)间不具备导电(dian)的(de)(de)沟道(dao)，所以无论漏(lou)、源(yuan)极(ji)(ji)之(zhi)间加(jia)何种极(ji)(ji)性(xing)的(de)(de)电(dian)压，都不会(hui)产生漏(lou)极(ji)(ji)电(dian)流(liu)ID。

当(dang)将衬(chen)(chen)底(di)(di)B与源(yuan)极S短(duan)接，在栅极G和源(yuan)极S之间加正(zheng)电(dian)压(ya)，即UGS﹥0时(shi)(shi),如下(xia)(xia)图(tu)（a）所示，则在栅极与衬(chen)(chen)底(di)(di)之间产生一(yi)个(ge)(ge)由(you)(you)栅极指(zhi)向衬(chen)(chen)底(di)(di)的(de)(de)(de)电(dian)场。在这个(ge)(ge)电(dian)场的(de)(de)(de)作用(yong)下(xia)(xia)，P衬(chen)(chen)底(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)附近的(de)(de)(de)空(kong)(kong)穴受(shou)到(dao)排(pai)斥将向下(xia)(xia)方(fang)运动，电(dian)子(zi)(zi)受(shou)电(dian)场的(de)(de)(de)吸引(yin)向衬(chen)(chen)底(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)运动，与衬(chen)(chen)底(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)穴复合，形(xing)成了(le)一(yi)层(ceng)(ceng)耗尽层(ceng)(ceng)。如果进一(yi)步提高UGS电(dian)压(ya)，使(shi)UGS达到(dao)某(mou)一(yi)电(dian)压(ya)UT时(shi)(shi)，P衬(chen)(chen)底(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)层(ceng)(ceng)中(zhong)空(kong)(kong)穴全部被排(pai)斥和耗尽，而(er)自由(you)(you)电(dian)子(zi)(zi)大量(liang)(liang)地被吸引(yin)到(dao)表(biao)面(mian)(mian)层(ceng)(ceng)，由(you)(you)量(liang)(liang)变(bian)到(dao)质(zhi)变(bian)，使(shi)表(biao)面(mian)(mian)层(ceng)(ceng)变(bian)成了(le)自由(you)(you)电(dian)子(zi)(zi)为(wei)多子(zi)(zi)的(de)(de)(de)N型层(ceng)(ceng)，称为(wei)“反型层(ceng)(ceng)”，如下(xia)(xia)图(tu)（b）所示。反型层(ceng)(ceng)将漏(lou)极D和源(yuan)极S两(liang)个(ge)(ge)N+型区相连通(tong)，构成了(le)漏(lou)、源(yuan)极之间的(de)(de)(de)N型导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)道。把(ba)开始形(xing)成导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)道所需的(de)(de)(de)UGS值(zhi)称为(wei)阈值(zhi)电(dian)压(ya)或(huo)开启电(dian)压(ya)，用(yong)UT表(biao)示。显然(ran)，只有UGS﹥UT时(shi)(shi)才有沟(gou)道，而(er)且UGS越大，沟(gou)道越厚(hou)，沟(gou)道的(de)(de)(de)导(dao)(dao)通(tong)电(dian)阻越小，导(dao)(dao)电(dian)能力越强。这就是为(wei)什么把(ba)它称为(wei)增强型的(de)(de)(de)缘故(gu)。

在UGS﹥UT的(de)条件(jian)下，如(ru)果在漏(lou)极D和源(yuan)极S之间加上正电(dian)压(ya)UDS，导电(dian)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)就会有(you)电(dian)流流通。漏(lou)极电(dian)流由(you)漏(lou)区流向源(yuan)区，因为(wei)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)有(you)一(yi)定的(de)电(dian)阻，所以沿(yan)着(zhe)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)产生电(dian)压(ya)降，使(shi)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)各点的(de)电(dian)位沿(yan)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)由(you)漏(lou)区到(dao)源(yuan)区逐渐减小，靠近漏(lou)区一(yi)端(duan)的(de)电(dian)压(ya)UGD最(zui)小，其值为(wei)UGD=UGS－UDS,相应(ying)的(de)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)最(zui)薄；靠近源(yuan)区一(yi)端(duan)的(de)电(dian)压(ya)最(zui)大，等于UGS,相应(ying)的(de)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)最(zui)厚。这样(yang)就使(shi)得沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)厚度不再是均匀的(de)，整个沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)呈倾(qing)斜状。随着(zhe)UDS的(de)增大，靠近漏(lou)区一(yi)端(duan)的(de)沟(gou)(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)越来(lai)越薄。

当UDS增(zeng)(zeng)大到某(mou)一(yi)临界值，使UGD≤UT时，漏(lou)(lou)端的(de)(de)沟(gou)道(dao)消失，只剩下(xia)(xia)耗尽层(ceng)，把这(zhei)种情况称为沟(gou)道(dao)“预夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)”，如下(xia)(xia)图（a）所(suo)示。继续增(zeng)(zeng)大UDS(即(ji)UDS＞UGS－UT)，夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)点向源(yuan)极(ji)方(fang)向移(yi)动，如下(xia)(xia)图（b）所(suo)示。尽管夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)点在(zai)移(yi)动，但沟(gou)道(dao)区(qu)（源(yuan)极(ji)S到夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)点）的(de)(de)电(dian)压降保持不变，仍等于UGS－UT。因此,UDS多余(yu)部(bu)(bu)分电(dian)压[UDS－(UGS－UT)]全部(bu)(bu)降到夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)区(qu)上，在(zai)夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)区(qu)内形成较强的(de)(de)电(dian)场。这(zhei)时电(dian)子(zi)沿沟(gou)道(dao)从(cong)源(yuan)极(ji)流向夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)区(qu)，当电(dian)子(zi)到达夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)区(qu)边缘时，受(shou)夹(jia)断(duan)(duan)(duan)(duan)区(qu)强电(dian)场的(de)(de)作用，会很快的(de)(de)漂移(yi)到漏(lou)(lou)极(ji).(插图对电(dian)导的(de)(de)影响）、

（2）P沟道增强型场效应管

P沟道增强(qiang)型(xing)MOS管(guan)的(de)(de)(de)结构示意图，通过光刻、扩(kuo)散的(de)(de)(de)方(fang)法或其(qi)他手段(duan)，在N型(xing)衬底（基(ji)片(pian)）上(shang)制作出两个掺杂的(de)(de)(de)P区，分别引(yin)出电极(ji)(ji)(ji)(ji)（源极(ji)(ji)(ji)(ji)S和漏极(ji)(ji)(ji)(ji)D），同时在漏极(ji)(ji)(ji)(ji)与(yu)源极(ji)(ji)(ji)(ji)之间的(de)(de)(de)SO绝缘层上(shang)制作金属(shu)，称为栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)G。

在正常工(gong)作时，P沟道(dao)增强(qiang)型MOS管的(de)衬底(di)必(bi)须与(yu)源(yuan)(yuan)极相连，而漏心(xin)极对源(yuan)(yuan)极的(de)电压(ya)Vds应(ying)为(wei)负值，以保证两个P区与(yu)衬底(di)之(zhi)间的(de)PN结均为(wei)反偏。

耗(hao)尽型场(chang)效应(ying)管

耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道。当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。UGS

耗尽型场效应管工作原理

（1）N沟道(dao)耗尽(jin)型场效应(ying)管

沟(gou)道(dao)耗尽(jin)型(xing)(xing)MOSFET的(de)结(jie)构与增强型(xing)(xing)MOSFET结(jie)构类似，只有一点(dian)不同，就是N沟(gou)道(dao)耗尽(jin)型(xing)(xing)MOSFET在(zai)(zai)栅极电(dian)压uGS=0时，沟(gou)道(dao)已(yi)(yi)经存(cun)(cun)在(zai)(zai)。该(gai)N沟(gou)道(dao)是在(zai)(zai)制(zhi)造过程中(zhong)应(ying)(ying)用(yong)离子(zi)(zi)注入(ru)法预(yu)先在(zai)(zai)衬(chen)底的(de)表(biao)面(mian)，在(zai)(zai)D、S之间(jian)制(zhi)造的(de)，称之为(wei)初始沟(gou)道(dao)。N沟(gou)道(dao)耗尽(jin)型(xing)(xing)MOSFET的(de)结(jie)构和符号(hao)如图1.（a）所(suo)示，它是在(zai)(zai)栅极下方(fang)的(de)SiO2绝缘层中(zhong)掺(chan)入(ru)了大量的(de)金(jin)属正离子(zi)(zi)。所(suo)以当(dang)VGS＝0时，这些(xie)正离子(zi)(zi)已(yi)(yi)经感应(ying)(ying)出反(fan)型(xing)(xing)层，形成了沟(gou)道(dao)。于是，只要(yao)有漏(lou)源(yuan)电(dian)压，就有漏(lou)极电(dian)流存(cun)(cun)在(zai)(zai)。当(dang)VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的(de)减(jian)小漏(lou)极电(dian)流逐(zhu)渐减(jian)小，直至ID＝0。对(dui)应(ying)(ying)ID＝0的(de)VGS称为(wei)夹断电(dian)压，用(yong)符号(hao)VGS(off)表(biao)示，有时也(ye)用(yong)VP表(biao)示。N沟(gou)道(dao)耗尽(jin)型(xing)(xing)MOSFET的(de)转移特性曲线 (插图)

由(you)于耗尽型MOSFET在(zai)uGS=0时，漏源之间的(de)沟(gou)道(dao)(dao)已经存(cun)在(zai)，所以只要(yao)加上uDS,就有(you)iD流通。如(ru)果增加正向栅(zha)压(ya)uGS，栅(zha)极与衬(chen)底之间的(de)电(dian)场将使(shi)沟(gou)道(dao)(dao)中感应更多(duo)的(de)电(dian)子，沟(gou)道(dao)(dao)变厚(hou)，沟(gou)道(dao)(dao)的(de)电(dian)导增大。

如果在(zai)栅极加负(fu)电(dian)压(ya)（即(ji)uGS＜0＝，就会在(zai)相对应的衬底表面(mian)感应出(chu)正电(dian)荷，这些正电(dian)荷抵消N沟(gou)道(dao)(dao)中的电(dian)子(zi)，从而在(zai)衬底表面(mian)产(chan)生(sheng)一个(ge)耗尽(jin)层，使(shi)沟(gou)道(dao)(dao)变窄(zhai)，沟(gou)道(dao)(dao)电(dian)导减小。当负(fu)栅压(ya)增大到某一电(dian)压(ya)Up时(shi)，耗尽(jin)区扩展(zhan)到整个(ge)沟(gou)道(dao)(dao)，沟(gou)道(dao)(dao)完全被(bei)夹(jia)断（耗尽(jin)），这时(shi)即(ji)使(shi)uDS仍存(cun)在(zai)，也(ye)不(bu)会产(chan)生(sheng)漏极电(dian)流，即(ji)iD=0。UP称为夹(jia)断电(dian)压(ya)或(huo)阈值电(dian)压(ya)，其值通常在(zai)–1V–10V之间N沟(gou)道(dao)(dao)耗尽(jin)型MOSFET的结构(gou)图(tu)和转移特性曲线分(fen)别如图(tu)所示。

（2）P沟(gou)道(dao)耗(hao)尽型场效(xiao)应管

P沟道(dao)MOSFET的工(gong)作原理与N沟道(dao)MOSFET完(wan)全相(xiang)同(tong)(tong)，只不过导电的载流子不同(tong)(tong)，供电电压极(ji)性不同(tong)(tong)而已。这如同(tong)(tong)双(shuang)极(ji)型(xing)三极(ji)管有NPN型(xing)和PNP型(xing)一样。

联系方式：邹先(xian)生

联系电(dian)话(hua)：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地(di)址：深圳(zhen)市福(fu)田区车(che)公庙天安(an)数码城天吉大厦CD座5C1

请搜微(wei)(wei)信公(gong)众号(hao)(hao):“KIA半导体”或(huo)扫(sao)一扫(sao)下图“关注”官(guan)方微(wei)(wei)信公(gong)众号(hao)(hao)

请“关注”官方(fang)微(wei)信(xin)公众号:提供  MOS管(guan)  技术帮(bang)助(zhu)