場(chǎng)效應管種類(lèi)-場(chǎng)效應管N、P溝道與增強、耗盡型工作原理等知識詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-12-03
場(chǎng)效應晶體管（Field Effect Transistor縮寫(xiě)(FET)）簡(jiǎn)稱(chēng)場(chǎng)效應管。主要有兩種類(lèi)型（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導體場(chǎng)效應管（metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS-FET）。由多數載流子參與導電，也稱(chēng)為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高（107～1015Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優(yōu)點(diǎn)，現已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。
場(chǎng)效應管（FET）是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應來(lái)控制輸出回路電流的一種半導體器件，并以此命名。由于它僅靠半導體中的多數載流子導電，又稱(chēng)單場(chǎng)極型晶體管。
場(chǎng)效應管分為兩種類(lèi)別：結型場(chǎng)效應管（JFET）和絕緣柵場(chǎng)效應管（MOS管）。下文會(huì )著(zhù)重介紹場(chǎng)效應管種類(lèi)的具體知識與區別。
結型場(chǎng)效應管的結構如下圖所示，在一塊N型半導體材料的兩邊各擴散一個(gè)高雜質(zhì)濃度的P+區,就形成兩個(gè)不對稱(chēng)的P+N結，即耗盡層。把兩 個(gè)P+區并聯(lián)在一起，引出一個(gè)電極g，稱(chēng)為柵極，在N型半導體的兩端各引出一個(gè)電極，分別稱(chēng)為源極s和漏極d。它們分別與三極管的基極b、發(fā)射極e和集電極c相對應。夾在兩個(gè)P+N結中間的N區是電流的通道，稱(chēng)為導電溝道（簡(jiǎn)稱(chēng)溝道）。
這種結構的管子稱(chēng)為N溝道和P溝道結型場(chǎng)效應管，它在電路中用下圖所示的符號表示，柵極上的箭頭表示柵-源極間的P+N結正向偏置時(shí)，柵極電流的方向（由P區指向N區）。
N溝道和P溝道結型場(chǎng)效應管工作原理完全相同，現以N溝道結型場(chǎng)效應管為例，分析其工作原理。N溝道結型場(chǎng)效應管工作時(shí)，需要外加如圖1所示的偏置電壓（鼠標單擊圖1中“結型場(chǎng)效應管的工作原理”)，即在柵-源極間加一負電壓(vGS＜0)，使柵-源極間的P+N結反偏，柵極電流iG≈0，場(chǎng)效應管呈現很高的輸入電阻(高達108W左右)。在漏-源極間加一正電壓 (vDS＞0)，使N溝道中的多數載流子電子在電場(chǎng)作用下由源極向漏極作漂移運動(dòng)，形成漏極電流iD。iD的大小主要受柵-源電壓vGS控制，同時(shí)也受漏 -源電壓vDS的影響。因此，討論場(chǎng)效應管的工作原理就是討論柵-源電壓vGS對溝道電阻及漏極電流iD的控制作用，以及漏-源電壓vDS對漏極電流iD 的影響。
（1）柵極電壓VGS對iD的控制作用
為便于討論，先假設漏-源極間所加的電壓vDS=0。當柵-源電壓vGS=0時(shí)，溝道較寬，其電阻較小，如圖1(a)所示。當vGS<0，且其大小增加時(shí)，在這個(gè)反偏電壓的作用下，兩個(gè)P+N結耗盡層將加寬。由于N區摻雜濃度小于P+區，因此，隨著(zhù)|vGS| 的增加，耗盡層將主要向N溝道中擴展，使溝道變窄，溝道電阻增大，如圖1(b)所示。當|vGS|進(jìn)一步增大到一定值|VP| 時(shí)，兩側的耗盡層將在溝道中央合攏，溝道全部被夾斷，如圖1(c)所示。
由于耗盡層中沒(méi)有載流子，因此這時(shí)漏-源極間的電阻將趨于無(wú)窮大，即使加上一定的 電壓vDS，漏極電流iD也將為零。這時(shí)的柵-源電壓稱(chēng)為夾斷電壓，用VP表示。上述分析表明，改變柵源電壓vGS的大小，可以有效地控制溝道電阻的大小。若同時(shí)在漏源-極間加上固定的正向電壓vDS，則漏極電流iD將受vGS的控制，|vGS|增大時(shí)，溝道電阻增大，iD減小。上述效應也可以看作是柵 -源極間的偏置電壓在溝道兩邊建立了電場(chǎng)，電場(chǎng)強度的大小控制了溝道的寬度，即控制了溝道電阻的大小，從而控制了漏極電流iD的大小。
（2）漏電電壓VDS對iD的影響
設vGS值固定，且VP隨著(zhù)vDS的進(jìn)一步增加，靠近漏極一端的P+N結上承受的反向電壓增大，這里的耗盡層相應變寬，溝道電阻相應增加，iD隨vDS上升的速度趨緩。當vDS增加到vDS=vGS-VP，即vGD=vGS -vDS=VP(夾斷電壓)時(shí)，漏極附近的耗盡層即在A(yíng)點(diǎn)處合攏，如圖2(b)所示，這種狀態(tài)稱(chēng)為預夾斷。與前面講過(guò)的整個(gè)溝道全被夾斷不同，預夾斷后，漏極電流iD≠0。
因為這時(shí)溝道仍然存在，溝道內的電場(chǎng)仍能使多數載流子(電子)作漂移運動(dòng)，并被強電場(chǎng)拉向漏極。若vDS繼續增加，使 vDS＞vGS－VP,即vGD＜VP時(shí)，耗盡層合攏部分會(huì )有增加，即自A點(diǎn)向源極方向延伸，如圖2(c)，夾斷區的電阻越來(lái)越大，但漏極電流iD卻基本 上趨于飽和，iD不隨vDS的增加而增加。因為這時(shí)夾斷區電阻很大，vDS的增加量主要降落在夾斷區電阻上，溝道電場(chǎng)強度增加不多，因而iD基本不變。但 當vDS增加到大于某一極限值(用V(BR)DS表示)后，漏極一端P+N結上反向電壓將使P+N結發(fā)生雪崩擊穿，iD會(huì )急劇增加，正常工作時(shí)vDS不能超過(guò)V(BR)DS。
（3）從結型場(chǎng)效應管正常工作時(shí)的原理可知：
① 結型場(chǎng)效應管柵極與溝道之間的P+N結是反向偏置的，因此，柵極電流iG≈0，輸入阻抗很高。
② 漏極電流受柵-源電壓vGS控制，所以場(chǎng)效應管是電壓控制電流器件。
③ 預夾斷前，即vDS較小時(shí)，iD與vDS間基本呈線(xiàn)性關(guān)系；預夾斷后，iD趨于飽和。P溝道結型場(chǎng)效應管工作時(shí)，電源的極性與N溝道結型場(chǎng)效應管的電源極性相反。
絕緣柵場(chǎng)效應管絕緣柵場(chǎng)效應管的種類(lèi)較多，有PMOS、NMOS和VMOS功率管等，但目前應用最多的是MOS管。MOS絕緣柵場(chǎng)效應管也即金屬一氧化物一半導體場(chǎng)效應管，通常用MOS表示，簡(jiǎn)稱(chēng)作MOS管。它具有比結型場(chǎng)效應管更高的輸入阻抗（可達1012Ω以上），并且制造工藝比較簡(jiǎn)單，使用靈活方便，非常有利于高度集成化。
MOS場(chǎng)效應三極管分為：增強型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見(jiàn)圖1。其中：電極 D（Drain） 稱(chēng)為漏極，相當雙極型三極管的集電極；
電極 G（Gate） 稱(chēng)為柵極，相當于的基極；
電極 S（Source）稱(chēng)為源極，相當于發(fā)射極。
所謂增強型是指：當VGS=0時(shí)管子是呈截止狀態(tài)，加上正確的VGS后，多數載流子被吸引到柵極，從而“增強”了該區域的載流子，形成導電溝道。當柵極加有電壓時(shí)，若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，通過(guò)柵極和襯底間形成的電容電場(chǎng)作用，將靠近柵極下方的P型半導體中的多子空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層；同時(shí)將吸引其中的少子向表層運動(dòng)，但數量有限，不足以形成導電溝道，將漏極和源極溝通，所以仍然不足以形成漏極電流ID。
進(jìn)一步增加VGS，當VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th)稱(chēng)為開(kāi)啟電壓），由于此時(shí)的柵極電壓已經(jīng)比較強，在靠近柵極下方的P型半導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電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反,故稱(chēng)為反型層。隨著(zhù)VGS的繼續增加,ID將不斷增加。在VGS＝0V時(shí)ID＝0，只有當VGS＞VGS(th)后才會(huì )出現漏極電流，所以,這種MOS管稱(chēng)為增強型MOS管。VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線(xiàn)描述，稱(chēng)為轉移特性曲線(xiàn)，如下圖
N溝道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱(chēng)的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個(gè)高摻雜的N型區，從N型區引出電極（漏極D、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型半導體稱(chēng)為襯底，用符號B表示。柵源電壓VGS的控制作用：當VGS=0 V時(shí)，漏源之間相當兩個(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。
N溝道增強型MOSFET的結構示意圖，如下圖所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，利用擴散工藝在襯底上擴散兩個(gè)高摻雜濃度的N型區（用N+表示），并在此N型區上引出兩個(gè)歐姆接觸電極，分別稱(chēng)為源極（用S表示）和漏極（用D表示）。在源區、漏區之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅（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表示）。從襯底引出一個(gè)歐姆接觸電極稱(chēng)為襯底電極（用B表示）。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以稱(chēng)它為絕緣柵型場(chǎng)效應管。
當柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=0時(shí),由于漏極和源極兩個(gè)N+型區之間隔有P型襯底，相當于兩個(gè)背靠背連接的PN結，它們之間的電阻高達1012W的數量級，也就是說(shuō)D、S之間不具備導電的溝道，所以無(wú)論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì )產(chǎn)生漏極電流ID。
當將襯底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),如下圖（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)。在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運動(dòng)，與襯底表面的空穴復合，形成了一層耗盡層。如果進(jìn)一步提高UGS電壓，使UGS達到某一電壓UT時(shí)，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱(chēng)為“反型層”，如下圖（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)N+型區相連通，構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開(kāi)始形成導電溝道所需的UGS值稱(chēng)為閾值電壓或開(kāi)啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時(shí)才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導通電阻越小，導電能力越強。這就是為什么把它稱(chēng)為增強型的緣故。
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，導電溝道就會(huì )有電流流通。漏極電流由漏區流向源區，因為溝道有一定的電阻，所以沿著(zhù)溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區到源區逐漸減小，靠近漏區一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相應的溝道最??；靠近源區一端的電壓最大，等于UGS,相應的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈傾斜狀。隨著(zhù)UDS的增大，靠近漏區一端的溝道越來(lái)越薄。
當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，把這種情況稱(chēng)為溝道“預夾斷”，如下圖（a）所示。繼續增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，如下圖（b）所示。盡管夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區（源極S到夾斷點(diǎn)）的電壓降保持不變，仍等于UGS－UT。因此,UDS多余部分電壓[UDS－(UGS－UT)]全部降到夾斷區上，在夾斷區內形成較強的電場(chǎng)。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區，當電子到達夾斷區邊緣時(shí)，受夾斷區強電場(chǎng)的作用，會(huì )很快的漂移到漏極.(插圖對電導的影響）。
P溝道增強型MOS管的結構示意圖，通過(guò)光刻、擴散的方法或其他手段，在N型襯底（基片）上制作出兩個(gè)摻雜的P區，分別引出電極（源極S和漏極D），同時(shí)在漏極與源極之間的SO絕緣層上制作金屬，稱(chēng)為柵極G。
在正常工作時(shí)，P溝道增強型MOS管的襯底必須與源極相連，而漏心極對源極的電壓Vds應為負值，以保證兩個(gè)P區與襯底之間的PN結均為反偏。
耗盡型MOS場(chǎng)效應管，是在制造過(guò)程中，預先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時(shí)，這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)也能在P型襯底中“感應”出足夠的電子，形成N型導電溝道。當UDS>0時(shí)，將產(chǎn)生較大的漏極電流ID。如果使UGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場(chǎng)，使N溝道變窄，從而使ID減小。當UGS更負，達到某一數值時(shí)溝道消失，ID=0。使ID=0的UGS我們也稱(chēng)為夾斷電壓，仍用UP表示。
（1）N溝道耗盡型場(chǎng)效應管
溝道耗盡型MOSFET的結構與增強型MOSFET結構類(lèi)似，只有一點(diǎn)不同，就是N溝道耗盡型MOSFET在柵極電壓uGS=0時(shí)，溝道已經(jīng)存在。該N溝道是在制造過(guò)程中應用離子注入法預先在襯底的表面，在D、S之間制造的，稱(chēng)之為初始溝道。N溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖1.（a）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VGS＝0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當VGS＞0時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加。VGS＜0時(shí)，隨著(zhù)VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對應ID＝0的VGS稱(chēng)為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時(shí)也用VP表示。
由于耗盡型MOSFET在uGS=0時(shí)，漏源之間的溝道已經(jīng)存在，所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向柵壓uGS，柵極與襯底之間的電場(chǎng)將使溝道中感應更多的電子，溝道變厚，溝道的電導增大。
如果在柵極加負電壓（即uGS＜0＝，就會(huì )在相對應的襯底表面感應出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產(chǎn)生一個(gè)耗盡層，使溝道變窄，溝道電導減小。
當負柵壓增大到某一電壓Up時(shí)，耗盡區擴展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)即使uDS仍存在，也不會(huì )產(chǎn)生漏極電流，即iD=0。UP稱(chēng)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MOSFET的結構圖和轉移特性曲線(xiàn)分別如圖所示。
N溝道耗盡型MOSFET的轉移特性曲線(xiàn)
（2）P溝道耗盡型場(chǎng)效應管
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)導電的載流子不同，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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