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详解MOS管沟道/反型层-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2022-11-25 

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详解MOS管沟道/反型层-KIA MOS管



MOSFET的核心部分是栅极及其下面的MOS系统。MOSFET的工作就是通过控制MOS的半导体表面势阱——反型层(导电沟道)来实现的。


(1)反型层(沟道)的产生和消除:

产生反型层或者使反型层消失,这都可以利用栅极电压来加以控制。使反型层产生或者消失时的栅极电压就是器件的阈值电压VT。对于增强型器件,该阈值电压称为开启电压;对于耗尽型器件,该阈值电压称为夹断电压。


(2)反型层(沟道)厚度的控制:

栅极电压可均匀地控制沟道的厚度,而源-漏电压将使沟道厚度发生不均匀变化(源极端较宽,漏极端较窄)。对于耗尽型MOSFET,在一定的栅极电压VGS下,当源-漏电压VDS较小时,沟道的导电性类似于电阻——有线性的输出伏安特性;当源-漏电压增大到所谓饱和电压(VDS>VGS-VT)时,即将使沟道在漏极端夹断,这时输出源-漏电流即达到最大——饱和输出电流。


沟道夹断区也是一种耗尽层,其中存在较高的电场,只要有载流子漂移到夹断区的边缘,很快就会被扫向漏极、并输出电流。因此,沟道的夹断不但不阻挡导电,相反的,而是能够更好地导电;只有当栅极电压使得沟道从头到尾都被夹断——整个沟道消失以后,器件才不能导电,即进入截止状态。


(3)反型层(沟道)中的载流子浓度很大:

因为沟道中的少数载流子浓度与表面势阱的深度(正比于栅极电压)有指数函数关系,因此,当栅极电压使得半导体表面出现沟道时,沟道中的少数载流子浓度将很大(等于、甚至大于体内的多数载流子浓度)。


从而,表面反型层对于栅极电压具有屏蔽作用,这就是说,当沟道出现以后,栅极电压再增大,也不会影响到反型层下面的半导体的状态。


(4)反型层(沟道)下面的耗尽层厚度最大:

半导体表面反型层是在表面耗尽层厚度达到最大以后才出现的,所以反型层的下面必然存在有最大厚度的耗尽层;实际上,该耗尽层也就是所谓电场感应p-n结的势垒区。


同时,因为表面反型层的屏蔽作用,则栅极电压再怎么增大,此耗尽层厚度也不会再增加,即保持为最大的耗尽层厚度。虽然反型层下面的耗尽层厚度不会受到栅极电压的影响,但是,该耗尽层将会受到所谓衬偏电压(为加在衬底与源极之间的反向电压)的影响。


因为衬偏电压本来就是加在电场感应p-n结之上的反向电压,所以反型层下面的耗尽层最大厚度还会随着衬偏电压的增大而展宽;这种衬偏电压的作用,即将使得阈值电压也随之而有所增大,这就是所谓的衬偏效应。


(5)反型层(沟道)的厚度很薄:

因为反型层(沟道)中的载流子浓度很大,所以其厚度也相应的很薄,一般平均约为5nm。这个厚度与反型层下面的耗尽层厚度相比,即可忽略。因此,在讨论外加电压的作用时,栅极电压在反型层(沟道)上的压降往往可以不必考虑。


(6)反型层(沟道)中的电荷总数量很小:

虽然反型层中的载流子浓度很大,但是由于其厚度很薄,所以在面电荷数量上,与其下面耗尽层中的空间面电荷数量相比,则还是很小的。因此,在讨论MOS电容时,往往即可忽略反型层中这些电荷的影响。


(7)反型层(沟道)中的载流子是二维自由载流子:

因为反型层(沟道)很薄,则其中的载流子被限制在势阱内,因此在纵向(垂直表面的方向)上,载流子的能量是量子化的(分裂为许多二维的子能带);


但是这些载流子在平行表面的方向(横向)上却是自由的,所以反型层(沟道)中的载流子可以认为是所谓二维电子气(2-DEG)或者二维空穴气(2-DHG)。


由于沟道中的载流子浓度很大,所以沟道的横向导电作用将会很强。这种二维载流子气的良好的横向导电特性,也就是MOSFET工作的物理基础。


(8)反型层(沟道)中载流子的双重性质:

对于半导体衬底来说,显然反型层(沟道)中的载流子是少数载流子;但是从其中二维载流子气的横向导电作用来看,这些载流子只能认为是多数载流子——在源漏电压产生的电场作用下,在沟道中进行漂移、并输出电流。


在讨论栅极电压作用于半导体表面而产生的电容效应时,反型层(沟道)中的载流子应该认为是少数载流子,因此就需要考虑它们的产生-复合寿命,则载流子浓度的变化不可能能很迅速。因而在高频时即可忽略它们的影响(这实际上也就是忽略沟道载流子扩散电容的影响)。


但是在低频时,反型层(沟道)中载流子浓度变化的影响才需要考虑。这一点在分析MOS电容的C-V特性时很重要,考虑与不考虑沟道载流子对电容的贡献,就是区分高频与低频MOS/C-V曲线的依据。


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MOS管 沟道 反型层


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