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N 沟道MOS 管的结构及工作原理 N 沟道金属-氧化物-半导体场效应管(MOS 管)的结构及工作原理 结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109W，但在要求输入电阻更高的场合，还 是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是PN 结的反偏电阻，在高温条件下工作时， PN 结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应管不同，金属-氧化物- 半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅 极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015W。它的另 一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。 MOS 管也有N 沟道和P 沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的 区别是增强型MOS 管在栅-源电压vGS=0 时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上 电压vDS （在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生 （iD=0）。而耗尽型MOS 管在 vGS=0 时，漏-源极间就有导电沟道存在。 一、N 沟道增强型场效应管结构 a) N 沟道增强型MOS 管 构示意图 (b) N 沟道增强型MOS 管代表符号 (c) P 沟道增强型MOS 管代表符号 在一块掺杂浓度较低的P 型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+ 区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d 和源极s。然后在半导体表面复盖一层很 薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。 另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N 沟道增强型MOS 管。显然它的栅极 与其它电极间是绝缘的。图 1(a)、(b)分别是它的 构示意图和代表符号。代表符号中 的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P 沟道增强型MOS 管的箭头方向与上述相反， 如图 1(c)所示。 二、N 沟道增强型场效应管工作原理 1．vGS 对iD 及沟道的控制作用 MOS 管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管 在出厂前已连接好)。从图1(a) 可以看出，增强型MOS 管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN 结。当栅-源电压vGS=0 时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS 的极性如何，总有一个PN 结处于反偏状态， 漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。 若在栅-源极间加上正向电压，即vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2 绝缘层中便产 生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电 ， 因而使栅极附近的P 型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离 (负离 )，形成 耗尽层，同时P 衬底中的电 （少 ）被吸引到衬底表面。当vGS 数值较小，吸引电 的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS 增加时，吸引到P 衬底表面层的电 就增多，当vGS 达到某一数值时，这些电 在栅极附近的P 衬底表面 便形成一个N 型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N 型导电沟道，其导电 类型与P 衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vGS 越大，作用于半导体表面的 电场就越强，吸引到P 衬底表面的电 就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把 开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VT 表示。 由上述分析可知，N 沟道增强型MOS 管在vGS＜VT 时，不能形成导电沟道，管 处于截 止状态。只有当vGS≥VT 时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压vDS，才有 漏极电流产生。而且vGS 增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD 增大。这种必须在vGS≥VT 时才能形成导电沟道的MOS 管称为增强型MOS 管。 2．vDS 对iD 的影响 图1 如图2 (a)所示，当vGSVT 且为一确定值时，漏-源电压vDS 对导电沟道及电流iD 的影响与结型场效应管相似。漏极电流iD 沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间 的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其 值为vGD=vGS - vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS 较小 （vDS 随着vDS 的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS 增加到使vGD=vGS-vDS=VT(或 vDS=vGS-VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断