2022-2023学年高二物理竞赛课件：绝缘栅型场效应管(MOS管)

绝缘栅型场效应管(MOS管) 2 绝缘栅型场效应管(MOS管) 特点：输入电流更小，输入电阻更大；便于集成 分类：增强型（N沟道、P沟道） 耗尽型（N沟道、P沟道） 一、N沟道增强型MOS管 结构： N+ N+ s g d B P（衬底） 符号： g s d B N沟道 g s d B P沟道 耗尽层 SiO2绝缘层 高掺杂 3 由输出特性曲线，可得转移特性曲线。 ① UGS(off) ≤ uGS≤0，且uGS越负，iD越小。 ②在恒流区，uDS变化时，iD几乎不变，故不同的UDS对应曲线 几乎重合，只画一条即可。 ③当uGS≤UGS(off)时，全夹断，iD=0。uGS=0对应的电流为IDSS 2.转移特性曲线 iD IDSS uGS UGS(off) 0 -１ -2 -3 -4 uDS iD -4V O -3V -2V -1V UGS=0 恒 流 区 4 （UGS(off) ≤ uGS≤0） 根据半导体物理中对场效应管内部载流子的分析，可以得到 恒流区的电流方程： IDSS：漏极饱和电流，uGS=0情况下产生预夹断时的ID UGS(off)：夹断电压（注意是一个负值） IDSS uGS UGS(off) 0 -1 -2 -3 -4 iD 5 1．工作原理 ① GS间开路时 此时，d-s间有两个背靠背的PN结， 因此d-s间接什么电压，都不会有电 流产生。即此时不存在导电沟道。 ②uGS>0，DS短接 此时，栅极接正，衬底接负，衬底中的 多子空穴被排斥到下方，上面形成耗尽 层。且uGS越大，耗尽层越宽。 N+ N+ 耗尽层 P d g s uGS B 通常源极和衬底是连在一起的 N+ N+ s g d B P（衬底） 6 当uGS↑=UGS(th)时，衬底中的少子电子被吸引到耗尽层， 形成N型薄层，称为反型层。该反型层即导电沟道。 uGS再↑，则反型层加宽，沟道变宽。 N+ N+ 反型层 P d g s uGS B UGS(th)称为开启电压。 ③uGS>UGS(th)，uDS>0 uDS很小时，uGD = uGS-uDS>UGS(th)，由于S端 电压低于D端电压，故S端沟道宽，D端沟道 窄，沟道仍呈楔型。 沟道中的电子在uDS的作用下形成电流iD。 且uDS↑→iD↑，呈现电阻性。 电阻的大小与uGS有关 N+ N+ P d g s uGS B uDS iD 大到一定值才开启 7 uGS对iD的影响：uGS↑→沟道宽度↑→iD↑ 当uDS↑→uGD=UGS(th)时，D端反型层消失，沟道被夹断，称为预夹 断（因S端未被夹断）； N+ N+ P d g s uGS B uDS iD N+ N+ P d g s uGS B uDS 预夹断后，uDS↑，夹断长度↑，uDS增加的电压大部分落在夹断区， 沟道上电压几乎不↑，故iD基本不↑，呈饱和性。 iD 8 2．特性曲线与电流方程 输出特性曲线与结型类似，分为三个区。不同之处在于UGS(th) >0。 转移特性曲线与结型形状类似，但在第一象限，因UGS(th) >0。 IDO iD uGS UGS(th) O 2UGS(th) 转移特性曲线 输出特性曲线 uDS iD UGS=UGS(th) O UGS1 UGS2 UGS3=2UGS(th) 可变 电阻区 夹断区 预夹断轨迹uDS=uGS-UGS(th) 恒流区 IDO 方程： ★ ★ IDO：uGS=2UGS(th) 时的ID 9 二、N沟道耗尽型绝缘栅场效应管 情况与增强型类似。不同的只是开启电压不同。 增强型UGS(th)>0，耗尽型UGS(off)<0。 uGS<0的某个值UGS(off)时，反型层消失，沟道夹断。 故在uGS>UGS(off)时，在d-s间加正压，有电流iD产生。 结构与增强型类似，只不过在二氧化硅中加入大量正离子， 故在uGS=0时，即有反型层存在。 符号： g s d B N沟道 g s d B P沟道 P d g s uGS B N N 反型层 + + + + + + + + + + 耗尽型MOS管在 uGS＞0、 uGS ＜0、 uGS ＝0时均可导通，且与结型场效应管不同，由于SiO2绝缘层的存在，在uGS＞0时仍保持g-s间电阻非常大的特点。 9 10 uDS iD UGS=UGS(off) <0 O UGS =0 可变 电阻区 夹断区 恒流区 iD uGS UGS(off) O 特性曲线 输出特性曲线 转移特性曲线 11 归纳： MOS管的特性 1)增强型MOS管 2)耗尽型MOS管 开启电压 夹断电压 12 例：P沟道结型场效应管的特性曲线 g d s P沟道 iD uGS iD IDSS uGS UGS(off) P沟道 0<uGS<UGS(off)，