場(chǎng)效應(yīng)管是只有一種載流子參與導(dǎo)電，用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)三極管JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱(chēng)金屬-氧化物-半導(dǎo)體三極管MOSFET(Metal Oxide SemIConductor FET)。
MOS場(chǎng)效應(yīng)管
有增強(qiáng)型(Enhancement MOS 或EMOS)和耗盡型(Depletion)MOS或DMOS)兩大類(lèi)，每一類(lèi)有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電類(lèi)型。場(chǎng)效應(yīng)管有三個(gè)電極：
D(Drain) 稱(chēng)為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極;
G(Gate) 稱(chēng)為柵極，相當(dāng)于雙極型三極管的基極;
S(Source) 稱(chēng)為源極，相當(dāng)于雙極型三極管的發(fā)射極。
增強(qiáng)型MOS(EMOS)場(chǎng)效應(yīng)管
道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對(duì)稱(chēng)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，然后用光刻工藝擴(kuò)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。P型半導(dǎo)體稱(chēng)為襯底(substrat)，用符號(hào)B表示。
一、工作原理
1.溝道形成原理
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間形成電流。
當(dāng)柵極加有電壓時(shí)，若0<VGS<VGS(TH)時(shí)(VGS(TH) 稱(chēng)為開(kāi)啟電壓)，通過(guò)柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動(dòng)，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍然不足以形成漏極電流ID。< p>
進(jìn)一步增加Vgs，當(dāng)Vgs>Vgs(th)時(shí)，由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時(shí)加有漏源電 壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(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(chēng)為反型層(inversion layer)。隨著Vgs的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。
在Vgs=0V時(shí)ID=0，只有當(dāng)Vgs>Vgs(th)后才會(huì)出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱(chēng)為增強(qiáng)型MOS管。
VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用iD=f(vGS)|VDS=const這一曲線描述，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線，見(jiàn)圖。
轉(zhuǎn)移特性曲線斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為mA/V，所以gm也稱(chēng)為跨導(dǎo)。
跨導(dǎo)的定義式如下： gm=△ID/△VGS|
(單位mS)
2. Vds對(duì)溝道導(dǎo)電能力的控制
當(dāng)Vgs>Vgs(th)，且固定為某一值時(shí)，來(lái)分析漏源電壓Vds對(duì)漏極電流ID的影響。Vds的不同變化對(duì)溝道的影響如圖所示。
根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系
VDS=VDG+VGS= —VGD+VGS
VGD=VGS—VDS
當(dāng)VDS為0或較小時(shí)，相當(dāng)VGD>VGS(th)，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達(dá)到開(kāi)啟的程度以上，漏源之間有電流通過(guò)。
當(dāng)VDS 增加到使VGD=VGS(th)時(shí)，相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開(kāi)啟的情況，稱(chēng)為預(yù)夾斷，此時(shí)的漏極電流ID基本飽和。
當(dāng)VDS增加到 VGD<VGS(TH)時(shí)，預(yù)夾斷區(qū)域加長(zhǎng)，伸向S極。 p VDS增加的部分基本降落在隨之加長(zhǎng)的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。
當(dāng)VGS>VGS(th)，且固定為某一值時(shí)，VDS對(duì)ID的影響，即iD=f(vDS)|VGS=const這一關(guān)系曲線如圖02.16所示。這一曲線稱(chēng)為漏極輸出特性曲線。
二、伏安特性
1. 非飽和區(qū)
非飽和區(qū)(Nonsaturation Region)又稱(chēng)可變電阻區(qū)，是溝道未被預(yù)夾斷的工作區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS
2.飽和區(qū)
飽和區(qū)(Saturation Region)又稱(chēng)放大區(qū)，是溝道預(yù)夾斷后所對(duì)應(yīng)的工作區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達(dá)式：
在這個(gè)工作區(qū)內(nèi)，ID受VGS控制。考慮厄爾利效應(yīng)的ID表達(dá)式：
3.截止區(qū)和亞閾區(qū)
VGS<VGS(TH)，溝道未形成，ID=0。在VGS(TH)附近很小的區(qū)域叫亞閾區(qū)(SUBTHRESHOLD p Region)在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，ID與VGS的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系。<>
4.擊穿區(qū)
當(dāng)VDS 增大到足以使漏區(qū)與襯底間PN結(jié)引發(fā)雪崩擊穿時(shí)，ID迅速增加，管子進(jìn)入擊穿區(qū)。
三、P溝道EMOS場(chǎng)效應(yīng)管
在N型襯底中擴(kuò)散兩個(gè)P+區(qū)，分別做為漏區(qū)和源區(qū)，并在兩個(gè)P+之間的SiO2絕緣層上覆蓋柵極金屬層，就構(gòu)成了P溝道EMOS管。
耗盡型MOS(DMOS)場(chǎng)效應(yīng)管
N 溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號(hào)如圖3-5所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng) 出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)VGS>0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS<0時(shí)，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減 小，直至ID=0。對(duì)應(yīng)ID=0的VGS稱(chēng)為夾斷電壓，用符號(hào)VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線見(jiàn)圖所示。
N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
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