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MOS 管的半导体结构
作为半导体器件,它的来源还是最原始的材料,掺杂半导体形成的 P 和 N 型物质。 那么,在半导体工艺里,如何制造 MOS 管的? 这就是一个 NMOS 的结构简图,一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样,在一定的地基(衬底)上依据设计一步步“盖”起来。 MOS 管的符号描述为: |
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MOS 管的工作机制
以增强型 MOS 管为例,我们先简单来看下 MOS 管的工作原理。 由上图结构我们可以看到 MOS 管类似三极管,也是背靠背的两个PN结!三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制CE之间的导通,MOS 管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通DS之间。 如上图,在开启电压不足时,N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。给栅极提供正向电压后,P区的少子(电子)会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下,最后会形成一个以电子为多子的区域,叫反型层,称为反型因为是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。这样DS之间就导通了。 下图是一个简单的MOS管开启模拟: 这是MOS管电流Id随Vgs变化曲线,开启电压为1.65V。下图是MOS管的IDS和VGS与VDS 之间的特性曲线图,类似三极管。 下面我们先从器件结构的角度看一下MOS管的开启全过程。 1、Vgs 对MOS 管的开启作用 一定范围内 Vgs》Vth,Vds《Vgs-Vth,Vgs 越大,反型层越宽,电流越大。这个区域为 MOS 管的线性区(可变电阻区)。即: Vgs 为常数时,Vds 上升,Id 近似线性上升,表现为一种电阻特性。 Vds 为常数时,Vgs 上升,Id 近似线性上升,表现出一种压控电阻的特性。 即曲线左边 2、Vds对MOS管沟道的控制 当 Vgs》Vth,Vds《Vgs-Vth 时,分析同上曲线左侧,电流Id随Vds上升而上升,为可变电阻区。 当 Vds》Vgs-Vth 后,我们可以看到因为DS之间的电场开始导致右侧的沟道变窄,电阻变大。所以电流Id增加开始变缓慢。当Vds增大一定程度后,右沟道被完全夹断了! 此时DS之间的电压都分布在靠近D端的夹断耗尽区,夹断区的增大即沟道宽度W减小导致的电阻增大抵消了Vds对Id的正向作用,因此导致电流Id几乎不再随Vds增加而变化。此时的D端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到S端! 这个区域为 MOS 管的恒流区,也叫饱和区,放大区。 但是因为有沟道调制效应导致沟道长度 L 有变化,所以曲线稍微上翘一点。 重点备注:MOS 管与三极管的工作区定义差别 三极管的饱和区:输出电流 Ic 不随输入电流 Ib 变化。 MOS 管的饱和区:输出电流 Id 不随输出电压 Vds 变化。 3、 击穿 Vgs 过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。 Vds 过大会导致D和衬底之间的反向PN结雪崩击穿,大电流直接流入衬底。 |
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