【技术】浅析增强型与耗尽型MOS管

本文美浦森将介绍增强型MOS管与耗尽型MOS管，供工程师参考。所谓增强型是指：当UGS=0V时管子是呈截止状态，加上正确的UGS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。当栅极加有电压时，若0<UGS<UGS（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UGS，当UGS>UGS（th）时（UGS（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lD。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UGS的继续增加1D格不断增加。在UGS=0V时ID=0，只有当UGS>UGS（th）后才会出现漏极电流，所以，这种MoS管称为增强型MOS管。UGs对漏极电流的控制关系可用iD=f（UGS（th）lVDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，如下图。

图 1  转移特性曲线

（1）N沟道增强型场效应管

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Si0₂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（漏极D、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表示栅源电压UGS的控制作用：当UGS=0V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。

N沟道增强型MOSFET的结构示意图，如下图所示，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，分别称为源板用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。当栅极G和源极S之间不加任何电压，即UGS=0V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。

图 2

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>0V时如下图（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。在这个电场的作电下，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”，如下图（b）所示。反型层将漏极D和源极5两个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值称为阀值电压或开启电压，用UT表显然，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。

在UGS>UT的条件下，如果在漏极D和源极S之间加上正电压UDS，导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区，因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小，靠近漏区一端的电压UGD最小，其值为UGD=UGS-UDS，相应的沟通最薄；靠近源区一端的电压最大，等于UGS，相应的沟道最厚。这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。随着UDS的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。

图 3

当UDS增大到某一临界值，使UGDSUT时，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”，如下图（a）所示。继续增大UDS（即UDS>UGS-UT），夹断点向源极方向移动，如下图（b）所示。尽管夹断点在移动，但沟道区（源极s到夹断点）的电压降保持不变，仍等于UGS-UT。因此，UDS多余部分电压[UDS一（UGS-UT）]全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极.（插图对电导的影响）。

图 4

（2）P沟道增强型场效应管

P沟道增强型MOS管的结构示意图，通过光刻、扩散的方法或其他手段，在N型衬底（基片）上制作出两个掺杂的P区，分别引出电极（源极5和漏极D），同时在漏极与源极之间的SiO₂绝缘层上制作金属，称为栅极G。在正常工作时，P沟道增强型MOS管的衬底必须与源极相连，而漏极对源极的电压Vds应为负值，以保证两个P区与衬底之间的PN结均为反偏。

图 5

耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在Si02绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0V时，这些正离承产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道。当UDS>0V时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0V，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。

（3）N沟道耗尽型场效应管

N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似，只有一点不同，就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0V时，沟道已经存在。该N沟道是在制造过程中应用离子往入法预先在衬底的表面，在D、S之间制造的，称之为初始沟道。N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图6（a）所示，它是在栅极下方的Si02绝缘层中掺入了大量的金属正离子。

所以当UGS=0V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UGS>0V时，将使ID进一步增加。UGS<0V时，随着UGS的减小漏极电流逐渐减小，直至lD=0。对应ID=0的UGS称为夹断电压，用符号UGS（off）表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线（插图）。由于耗尽型MOSFET在UGS=0V时，漏源之间的沟道已经存在，所以只要加上UDS，就有iD流通。如果增加正向栅压UGS，栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子，沟道变厚，沟道的电导增大。

如果在栅极加负电压（即UGS<0V，就会在相对应的衬底表面感应出正电荷，这些正电荷抵消N沟道中的电子，从而在衬底表面产生一个耗尽层，使沟道变窄，沟道电导减小。当负栅压增大到某一电压Up时，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断（耗尽），这时即使UDS仍存在，也不会产生漏极电流，即iD=0。UP称为夹断电压或阀值电压，其值通常在-1V-10V之间N沟道耗尽型MOSFET的结构图和转移特性曲线分别如图所示。

图 6

（4）P沟道耗尽型场效应管

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。