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绝缘栅场效应晶体管工作原理和特性

增强型绝缘栅场效应管，场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的输入电阻可高达1015 W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽型两类。

下面简单介绍它们的工作原理。1、增强型绝缘栅场效应管。2、图1是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 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，称为漏极D和源极S如图1(a)所示。然后在半导体表面覆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一个铝电极，称为栅极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。它的栅极与其他电极间是绝缘的。图1(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。

图1 N沟道增强型场效应管

增强型绝缘栅场效应管，场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图1(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，而且不论UDS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UGS＞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子，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子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。

当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的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所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，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UT表示。

图2 N沟道增强型场效应管的沟道形成图

由上述分析可知，N沟道增强型场效应管在UGS＜UT时，不能形成导电沟道，场效应管处于截止状态。只有当UGS≥UT时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压UDS，才有漏极电流ID产生。而且UGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，ID增大。这是N沟道增强型场效应管的栅极电压控制的作用，因此，场效应管通常也称为压控三极管。

增强型、耗尽型MOS场效应管

增强型绝缘栅场效应管，根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。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。

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。栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间形成的电容电场作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层；同时将吸引其中的少子向表层运动，但数量有限，不足以形成导电沟道，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，所以,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(th))|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图3。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—54（a）为N沟道增强型MOSFET的结构示意图，其电路符号如图2—54（b）所示。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，利用扩散工艺在衬底上扩散两个高掺杂浓度的N型区（用N+表示），并在此N型区上引出两个欧姆接触电极，分别称为源极（用S表示）和漏极（用D表示）。在源区、漏区之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅（SiO2）绝缘层，在此绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极作为栅极（用G表示）。从衬底引出一个欧姆接触电极称为衬底电极（用B表示）。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以称它为绝缘栅型场效应管。图2—54（a）中的L为沟道长度，W为沟道宽度。

图2—54所示的MOSFET，当栅极G和源极S之间不加任何电压，即UGS=0时,由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底，相当于两个背靠背连接的PN结，它们之间的电阻高达1012W的数量级，也就是说D、S之间不具备导电的沟道，所以无论漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流ID。

当将衬底B与源极S短接，在栅极G和源极S之间加正电压，即UGS﹥0时,如图2—55（a）所示，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层。如果进一步提高UGS电压，使UGS达到某一电压UT时，P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的N型层，称为“反型层”，如图2—55（b）所示。反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通，构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的UGS值称为阈值电压或开启电压，用UT表示。显然，只有UGS﹥UT时才有沟道，而且UGS越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电能力越强。这就是为什么把它称为增强型的缘故。

耗尽型。耗尽型是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道。

当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。UGS<UP沟道消失，称为耗尽型。
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