圖1 n溝道增強型mosfet的結構示意圖和符號
mos場效應三極管分為: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圖1。其中:電極 d(drain) 稱為漏極,相當雙極型三極管的集電極;
電極 g(gate) 稱為柵極,相當于的基極;
電極 s(source)稱為源極,相當于發(fā)射極。
1.n溝道增強型mosfet
(1)結構
根據圖1,n溝道增強型mosfet基本上是一種左右對稱的拓撲結構,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高摻雜的n型區(qū),從n型區(qū)引出電極,一個是漏極d,一個是源極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型半導體稱為襯底,用符號b表示(2)工作原理
① 柵源電壓vgs的控制作用
當vgs=0 v時,漏源之間相當兩個背靠背的二極管,在d、s之間加上電壓不會在d、s間形成電流。
當柵極加有電壓時,若0<vgs<vgs(th)時,通過柵極和襯底間的電容作用,將靠近柵極下方的p型半導體中的空穴向下方排斥,出現(xiàn)了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動,但數量有限,不足以形成溝道,將漏極和源極溝通,所以仍然不足以形成漏極電流id。
進一步增加vgs,當vgs>vgs(th)時( vgs(th) 稱為開啟電壓),由于此時的柵極電壓已經比較強,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,故稱為反型層。隨著vgs的繼續(xù)增加,id將不斷增加。在vgs=0v時id=0,只有當vgs>vgs(th)后才會出現(xiàn)漏極電流,這種mos管稱為增強型mos管。vgs對漏極電流的控制關系可用id=f(vgs)|vds=const這一曲線描述,稱為轉移特性曲線,見圖2。
轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。 gm 的量綱為ma/v,所以gm也稱為跨導。
圖2 轉移特性曲線
跨導的定義式如下:
gm=△id/△vgs|vds=const (單位ms) (1)
②漏源電壓vds對漏極電流id的控制作用
當vgs>vgs(th),且固定為某一值時,來分析漏源電壓vds對漏極電流id的影響。vds的不同變化對溝道的影響如圖33所示。根據此圖可以有如下關系
vds=vdg+vgs= -vgd+vgs
vgd=vgs-vds
當vds為0或較小時,相當vgd>vgs(th),溝道分布如圖3 (a),此時vds 基本均勻降落在溝道中,溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處,溝道達到開啟的程度以上,漏源之間有電流通過。
當vds增加到使vgd=vgs(th)時,溝道如圖3(b)所示。這相當于vds增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況,稱為預夾斷,此時的漏極電流id基本飽和。當vds增加到vgd<vgs(th)時,溝道如圖3 (c)所示。此時預夾斷區(qū)域加長,伸向s極。 vds增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上, id基本趨于不變。
圖3 漏源電壓vds對溝道的影響
當vgs>vgs(th),且固定為某一值時,vds對id的影響, 即id=f(vds)|vgs=const這一關系曲線如圖4所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。
(a) 輸出特性曲線 (b)轉移特性曲線
圖4 漏極輸出特性曲線和轉移特性曲線
2.n溝道耗盡型mosfet
n溝道耗盡型mosfet的結構和符號如圖5(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,這些正離子已經感應出反型層,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,將使id進一步增加。vgs<0時,隨著vgs的減小漏極電流逐漸減小,直至id=0。對應id=0的vgs稱為夾斷電壓,用符號vgs(off)表示,有時也用vp表示。n溝道耗盡型mosfet的轉移特性曲線如圖5(b)所示。
(a) 結構示意圖 (b) 符號(c)轉移特性曲線
圖5 n溝道耗盡型mosfet的結構和轉移特性曲線
3.p溝道耗盡型mosfet
p溝道m(xù)osfet的工作原理與n溝道m(xù)osfet完全相同,只不過導電的載流子不同,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。