图1 n沟道增强型mosfet的结构示意图和符号
mos场效应三极管分为:增强型(又有n沟道、p沟道之分)及耗尽型(分有n沟道、p沟道)。n沟道增强型mosfet的结构示意图和符号见图1。其中:电极 d(drain) 称为漏极,相当双极型三极管的集电极;
电极 g(gate) 称为栅极,相当于的基极;
电极 s(source)称为源极,相当于发射极。
1.n沟道增强型mosfet
(1)结构
根据图1,n沟道增强型mosfet基本上是一种左右对称的拓扑结构,它是在p型半导体上生成一层sio2 薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的n型区,从n型区引出电极,一个是漏极d,一个是源极s。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极g。p型半导体称为衬底,用符号b表示(2)工作原理
① 栅源电压vgs的控制作用
当vgs=0 v时,漏源之间相当两个背靠背的二极管,在d、s之间加上电压不会在d、s间形成电流。
当栅极加有电压时,若0<vgs<vgs(th)时,通过栅极和衬底间的电容作用,将靠近栅极下方的p型半导体中的空穴向下方排斥,出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动,但数量有限,不足以形成沟道,将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流id。
进一步增加vgs,当vgs>vgs(th)时( vgs(th) 称为开启电压),由于此时的栅极电压已经比较强,在靠近栅极下方的p型半导体表层中聚集较多的电子,可以形成沟道,将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流id。在栅极下方形成的导电沟道中的电子,因与p型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着vgs的继续增加,id将不断增加。在vgs=0v时id=0,只有当vgs>vgs(th)后才会出现漏极电流,这种mos管称为增强型mos管。vgs对漏极电流的控制关系可用id=f(vgs)|vds=const这一曲线描述,称为转移特性曲线,见图2。
转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为ma/v,所以gm也称为跨导。
图2 转移特性曲线
跨导的定义式如下:
gm=△id/△vgs|vds=const (单位ms) (1)
②漏源电压vds对漏极电流id的控制作用
当vgs>vgs(th),且固定为某一值时,来分析漏源电压vds对漏极电流id的影响。vds的不同变化对沟道的影响如图33所示。根据此图可以有如下关系
vds=vdg+vgs= -vgd+vgs
vgd=vgs-vds
当vds为0或较小时,相当vgd>vgs(th),沟道分布如图3 (a),此时vds 基本均匀降落在沟道中,沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处,沟道达到开启的程度以上,漏源之间有电流通过。
当vds增加到使vgd=vgs(th)时,沟道如图3(b)所示。这相当于vds增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况,称为预夹断,此时的漏极电流id基本饱和。当vds增加到vgd<vgs(th)时,沟道如图3 (c)所示。此时预夹断区域加长,伸向s极。 vds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上, id基本趋于不变。
图3 漏源电压vds对沟道的影响
当vgs>vgs(th),且固定为某一值时,vds对id的影响, 即id=f(vds)|vgs=const这一关系曲线如图4所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。
(a) 输出特性曲线 (b)转移特性曲线
图4 漏极输出特性曲线和转移特性曲线
2.n沟道耗尽型mosfet
n沟道耗尽型mosfet的结构和符号如图5(a)所示,它是在栅极下方的sio2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当vgs=0时,这些正离子已经感应出反型层,形成了沟道。于是,只要有漏源电压,就有漏极电流存在。当vgs>0时,将使id进一步增加。vgs<0时,随着vgs的减小漏极电流逐渐减小,直至id=0。对应id=0的vgs称为夹断电压,用符号vgs(off)表示,有时也用vp表示。n沟道耗尽型mosfet的转移特性曲线如图5(b)所示。
(a) 结构示意图 (b) 符号(c)转移特性曲线
图5 n沟道耗尽型mosfet的结构和转移特性曲线
3.p沟道耗尽型mosfet
p沟道mosfet的工作原理与n沟道mosfet完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有npn型和pnp型一样。