一文詳解MOS管示意圖，構(gòu)造知識要點-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-11-10
下圖MOS管工作原理示意圖為N溝道增強型MOS管工作原理示意圖，其電路符號如圖所示。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高摻雜濃度的N型區(qū)(用N+表示)，并在此N型區(qū)上引出兩個歐姆接觸電極，分別稱為源極(用S表示)和漏極(用D表示)。
在源區(qū)、漏區(qū)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)。從襯底引出一個歐姆接觸電極稱為襯底電極(用B表示)。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以稱它為絕緣柵型場效應(yīng)管。MOS管工作原理示意圖中的L為溝道長度，W為溝道寬度。
MOS管示意圖，構(gòu)造解析：上圖所示的MOSFET，當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即 UGS=0 時,由于漏極和源極兩個N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012W的數(shù)量級，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，都不會產(chǎn)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,MOS管工作原理示意圖(a)所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。
如果進(jìn)一步提高UGS電壓，使UGS達(dá)到某一電壓UT時，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，稱為“反型層”，MOS管工作原理示意圖(b)所示。
反型層將漏極D和源極S兩個N+型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強。這就是為什么把它稱為增強型的緣故。
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(dǎo)電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS-UDS,相應(yīng)的溝道最薄;靠近源區(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，整個溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大，靠近漏區(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，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”，MOS管工作原理示意圖(a)所示。繼續(xù)增大UDS(即UDS>UGS-UT)，夾斷點向源極方向移動，MOS管工作原理示意圖(b)所示。
盡管夾斷點在移動，但溝道區(qū)(源極S到夾斷點)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(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時，受夾斷區(qū)強電場的作用，會很快的漂移到漏極。
耗盡型。耗盡型是指，當(dāng)VGS=0時即形成溝道，加上正確的VGS時，能使多數(shù)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MOS場效應(yīng)管，是在制造過程中，預(yù)先在SiO2絕緣層中摻入大量的正離子，因此，在UGS=0時，這些正離子產(chǎn)生的電場也能在P型襯底中“感應(yīng)”出足夠的電子，形成N型導(dǎo)電溝道。
MOS管學(xué)名是場效應(yīng)管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，屬于絕緣柵型。其結(jié)構(gòu)示意圖：
溝道上面圖中，下邊的p型中間一個窄長條就是溝道，使得左右兩塊P型極連在一起，因此mos管導(dǎo)通后是電阻特性，因此它的一個重要參數(shù)就是導(dǎo)通電阻，選用mos管必須清楚這個參數(shù)是否符合需求。
n型上圖表示的是p型mos管，讀者可以依據(jù)此圖理解n型的，都是反過來即可。因此，不難理解，n型的如圖在柵極加正壓會導(dǎo)致導(dǎo)通，而p型的相反。
增強型相對于耗盡型，增強型是通過“加厚”導(dǎo)電溝道的厚度來導(dǎo)通，如圖。柵極電壓越低，則p型源、漏極的正離子就越靠近中間，n襯底的負(fù)離子就越遠(yuǎn)離柵極，柵極電壓達(dá)到一個值，叫閥值或坎壓時，由p型游離出來的正離子連在一起，形成通道，就是圖示效果。
因此，容易理解，柵極電壓必須低到一定程度才能導(dǎo)通，電壓越低，通道越厚，導(dǎo)通電阻越小。由于電場的強度與距離平方成正比，因此，電場強到一定程度之后，電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了，也是因為n型負(fù)離子的“退讓”是越來越難的。耗盡型的是事先做出一個導(dǎo)通層，用柵極來加厚或者減薄來控制源漏的導(dǎo)通。
左右對稱圖示左右是對稱的，難免會有人問怎么區(qū)分源極和漏極呢？其實原理上，源極和漏極確實是對稱的，是不區(qū)分的。但在實際應(yīng)用中，廠家一般在源極和漏極之間連接一個二極管，起保護作用，正是這個二極管決定了源極和漏極，這樣，封裝也就固定了，便于實用。
金屬氧化物膜圖中有指示，這個膜是絕緣的，用來電氣隔離，使得柵極只能形成電場，不能通過直流電，因此是用電壓控制的。在直流電氣上，柵極和源漏極是斷路。不難理解，這個膜越?。?/span>電場作用越好、坎壓越小、相同柵極電壓時導(dǎo)通能力越強。壞處是：越容易擊穿、工藝制作難度越大而價格越貴。
與實物的區(qū)別上圖僅僅是原理性的，實際的元件增加了源-漏之間跨接的保護二極管，從而區(qū)分了源極和漏極。實際的元件，p型的，襯底是接正電源的，使得柵極預(yù)先成為相對負(fù)電壓，因此p型的管子，柵極不用加負(fù)電壓了，接地就能保證導(dǎo)通。相當(dāng)于預(yù)先形成了不能導(dǎo)通的溝道，嚴(yán)格講應(yīng)該是耗盡型了。好處是明顯的，應(yīng)用時拋開了負(fù)電壓。
寄生電容上圖的柵極通過金屬氧化物與襯底形成一個電容，越是高品質(zhì)的mos，膜越薄，寄生電容越大，經(jīng)常mos管的寄生電容達(dá)到nF級。這個參數(shù)是mos管選擇時至關(guān)重要的參數(shù)之一，必須考慮清楚。
Mos管用于控制大電流通斷，經(jīng)常被要求數(shù)十K乃至數(shù)M的開關(guān)頻率，在這種用途中，柵極信號具有交流特征，頻率越高，交流成分越大，寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流，形成柵極電流。消耗的電能、產(chǎn)生的熱量不可忽視，甚至成為主要問題。為了追求高速，需要強大的柵極驅(qū)動，也是這個道理。
試想，弱驅(qū)動信號瞬間變?yōu)楦唠娖?，但是為了“灌滿”寄生電容需要時間，就會產(chǎn)生上升沿變緩，對開關(guān)頻率形成重大威脅直至不能工作。
如何工作在放大區(qū)Mos管也能工作在放大區(qū)，而且很常見。做鏡像電流源、運放、反饋控制等，都是利用mos管工作在放大區(qū)，由于mos管的特性，當(dāng)溝道處于似通非通時，柵極電壓直接影響溝道的導(dǎo)電能力，呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。
由于柵極與源漏隔離，因此其輸入阻抗可視為無窮大，當(dāng)然，隨頻率增加阻抗就越來越小，一定頻率時，就變得不可忽視。這個高阻抗特點被廣泛用于運放，運放分析的虛連、虛斷兩個重要原則就是基于這個特點。這是三極管不可比擬的。
發(fā)熱原因Mos管發(fā)熱，主要原因之一是寄生電容在頻繁開啟關(guān)閉時，顯現(xiàn)交流特性而具有阻抗，形成電流。有電流就有發(fā)熱，并非電場型的就沒有電流。
另一個原因是當(dāng)柵極電壓爬升緩慢時，導(dǎo)通狀態(tài)要“路過”一個由關(guān)閉到導(dǎo)通的臨界點，這時，導(dǎo)通電阻很大，發(fā)熱比較厲害。第三個原因是導(dǎo)通后，溝道有電阻，過主電流，形成發(fā)熱。
主要考慮的發(fā)熱是第1和第3點。許多mos管具有結(jié)溫過高保護，所謂結(jié)溫就是金屬氧化膜下面的溝道區(qū)域溫度，一般是150攝氏度。超過此溫度，mos管不可能導(dǎo)通。溫度下降就恢復(fù)。要注意這種保護狀態(tài)的后果。
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