绝缘栅型场效应管内部工作原理

我们以增强型nmos为例,其他mos管作为拓展理解:

1.各个部分介绍

 

如图,增强型nmos引出三个极,源极(Source),栅极(Gate),漏极(Drain),可以将它们类比于三极管的发射极,基极,集电极。图中的B是把衬底引出来了,实际的元件中,会把源极和衬底连接起来,如果没有连接,那么源极和漏极可以通用,二者差别并不是很大。

注意:源极和漏极都与N型半导体直接相连,而栅极半导体与P型半导体之间通过二氧化硅连接。这也是其全称为绝缘栅型场效应管的原因。同理,耗尽型nmos和pmos也一样,也用了二氧化硅隔开。

2.截止区,可变电阻区,恒流区

与三极管相同,mos管也分为了三个区:截至区,可变电阻区,恒流区。接下来说明当处于这三个区的时候的内部发生的变化:

首先,我们给整个增强型nmos加入两个电源:

我们来先使 uDS 等于0,使 uGS 电压逐渐上升,上升的电压排斥P型衬底靠近SiO2的空穴,空穴与自由电子混杂,形成耗尽型,如左上图 。

随着外加 uGS 的继续上升,耗尽层继续加厚,同时,衬底的自由电子开始“大量”聚集,形成了自由电子的通道。这个通道叫做反型层,也是其被称为N沟道增强型MOS管的“N沟道”,如上右图。

如果此时加入 uDS ,那么源极和漏极将产生电流,但此时沟道变化:

产生变化的原因为:两端N型半导体的电压不同,存在电压差,会使中间的沟道宽窄不同。

从上图a到b的变化,就是其可变电阻区。从b到c,就是进入了恒流区(此时沟道出现预夹断, uDS = uGS - UGS(th))。在图b基础上增大 uDS ,会使中间的沟道继续变窄 ,向图c靠拢,虽然 uDS在增大,但变窄的沟道相当于增大了电阻, 从外界来看,就是进入了恒流区。

注意:反型层的宽度决定了电阻的大小。

3.对元件示意图的理解

                          

 还借用上图,我们来看元件示意图与实际名称的关系,增强型nmos全称为:绝缘栅型N沟道增强型MOS管。

绝缘栅我们前面提到:栅极通过二氧化硅和衬底连接,示意图上就把g极与其余部分隔开了。

N沟道:要使源极和漏极导通,就需要自由电子形成的沟道,即N沟道,在图中显示出来就是由衬底指向了这样的沟道。即箭头方向,从三极管到MOS管,从始至终都是从P型半导体指向了N型半导体。

增强型:为什么叫增强型,是因为需要给栅极和源极之间加一定的正向电压,增强栅极处的载流子(自由电子)。

MOS管:即场效应管,英文为:Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor

依此,就可以类推耗尽型(耗尽型在不加电压时就可到导通,所以需要加一定的反向电压来使多子流出通道,因而消耗了载流子)(结型主要是利用了PN结的性质)

4.对于N沟道的结型场效应管和耗尽型场效应管

以上分析了增强型,对于结型和耗尽型就很简单了,直接看图:

结型N沟道场效应管:

        ​​​​  

 耗尽型N沟道场效应管:(注意:在制造这个MOS时,在二氧化硅绝缘层中掺入了大量正离子,所以在不外加电压时,漏极和源极也可以导通)

5.补充:增强型nmos出现预夹断为什么在漏极和源极还会有电流存在

在进入预夹断时,漏源电压继续增大,沟道的夹断点向源极方向运动,那么在沟道和漏极之间会隔着一段耗尽区,当沟道中的电子到达沟道端的耗尽区边界时,会立即被耗尽区内的强电场扫入漏区,所以会有电流存在。(类似于给二极管加反向电压的过程,都是内部电场的作用)

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