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  • MOS晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理
    • 發(fā)布時間:2019-10-28 15:36:30
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    MOS晶體管種類
    按溝道區(qū)中載流子類型分
    N溝MOS晶體管:襯底為P型,源漏為重?fù)诫s的N+,溝道中 載流子為電子
    P溝MOS晶體管:襯底為N型,源漏為重?fù)诫s的P+,溝道中載流子為空穴
    在正常情況下,只有一種類型的載流子在工作,因此也稱其為單極晶體管
    按工作模式分
    增強(qiáng)型晶體管:若在零柵壓下不存在漏源導(dǎo)電溝道,為了形成導(dǎo)電溝道,需要施加一定的柵壓,也就是說溝道要通過“增強(qiáng)”才能導(dǎo)通
    耗盡型晶體管:器件本身在漏源之間就存在導(dǎo)電溝道,即使在零柵壓下器件也是導(dǎo)通的。若要使器件截止,就必須施加?xùn)艍菏箿系篮谋M
    MOS晶體管特性
    假定漏端電壓Vds為正,當(dāng)柵上施加一個小于開啟電壓的正柵壓時,柵氧下面的P型表面區(qū)的空穴被耗盡,在硅表面形成一層負(fù)電荷,這些電荷被稱為耗盡層電荷Qb。這時的漏源電流為泄漏電流。
    如果Vgs>Vth,在P型硅表面形成可移動的負(fù)電荷Qi層,即導(dǎo)電溝道。
    由于表面為N型的導(dǎo)電溝道與P型襯底的導(dǎo)電類型相反,因此該表面導(dǎo)電溝道被稱為反型層。
    MOS村底偏置效應(yīng)
    當(dāng)襯底施加偏壓時,勢壘高度的增加導(dǎo)致耗盡區(qū)寬度的增加,因此對于給定的Vgs和Vds,Vbs的增加會使Ids減小。這是因為Vbs增加,體電荷Qb增加,而Vgs和Vds不變,由于柵電荷Qg固定,根據(jù)電荷守恒定律Qg=Qi+Qb,所以Qi反型層電荷減少,因此電導(dǎo)減少。
    而這時,如果要使MOS晶體管開啟即進(jìn)入強(qiáng)反型區(qū),就是反型層電荷相應(yīng)的增加那就耍提高柵電壓,增加?xùn)烹姾?。所以?dāng)MOS襯底施加偏壓時,MOS晶體管的開啟電壓會升高。
    MOS熱載流子效應(yīng)
    當(dāng)溝道長度減小,同時保持電源電壓不變,溝道區(qū)靠近漏端附近的最大電場增加。隨著載流子從源向漏移動,它們在漏端高電場區(qū)將得到足夠的動能,引起碰撞電離,一些載流子甚至能克服Si-Si02界面勢壘進(jìn)入氧化層,這些高能載流子不再保持它們在晶格中的熱平衡狀態(tài),并且具高于熱能的能量,因此稱它們?yōu)闊彷d流子。對于正常工作中的MOSFET,溝道中的熱載流子引起的效應(yīng)稱為熱載流子效應(yīng)。
    當(dāng)發(fā)生碰撞時,熱載流子將通過電離產(chǎn)生次級電子一空穴對,其中電子形成了從漏到源的電流,碰撞產(chǎn)生的次級空穴將漂移到襯底區(qū)形成襯底電流Ib。通過測量Ib可以很好地監(jiān)控溝道熱載流子和漏區(qū)電場的情況。
    由于Si-Si02的界面勢壘較高,注入到柵氧化層中的熱載流子與碰撞電離產(chǎn)生的熱載流子相比非常少,因此柵電流比襯底電流要低幾個數(shù)量級。
    熱載流子注入到柵氧層中還會引起其它的一些效應(yīng),主要有
    (1)熱載流子被Si02中電激活的缺陷俘獲,是氧化層中的固定電荷密度Qot改變;  (2)在Si-Si02界面產(chǎn)生界面電荷Qit。由于Qot和Qit引起的電荷積累將在溝道形成阻礙載流子運(yùn)動的勢壘;同時界面電荷也會增強(qiáng)界面附近電子的庫侖散射,使遷移率降低。因此經(jīng)過一段時間的積累,以上效應(yīng)會使器件的性能退化,影響集成電路的可靠性,所以應(yīng)設(shè)法避免熱載流子效應(yīng)。
    MOS晶體管的構(gòu)造與符號
    MOS晶體管的符號示于圖1.3。(KIA)MOS晶體管是四端器件:源極(S)、柵極(G)、漏極(D),以及基底端(B)?;锥嗽贜MOS晶體管中通常銜接電路的負(fù)端電源電壓Vss,在PMOS晶體管中銜接電路的正端電源電壓VDD。電路圖中通常省略基底端(B)而采用圖1.4所示的符號。兩者的關(guān)系如圖1.5所示。
    MOS晶體管
    MOS晶體管
    圖1.6是NMOS晶體管的構(gòu)造表示圖。P型硅襯底上構(gòu)成兩個n+區(qū)域,一個是源區(qū),另一個是漏區(qū)。柵極是由摻入高濃度雜質(zhì)的低電阻多晶硅(poly-crystal-linc silicon)構(gòu)成。 
    在柵極與硅襯底間構(gòu)成一層氧化膜( Si02),叫做柵氧化膜。P型硅襯底也叫做基板。 
    NMOS的基底銜接VSS負(fù)端電源電壓。例如,在正的電源電壓VDD為3V,負(fù)的電源電壓VSS為OV的電路中工作時,基底銜接OV(圖1.7)。
    MOS晶體管
    畫電路圖時,NMOS晶體管是漏極在上、源極在下,而PMOS晶體管是源極在上、漏極在下。圖1.8示出電流活動的方向和電極間的電壓。柵極—源極間電壓用VGS(PMOS晶體管中用VSG)表示,漏極—源極間電壓用VDS(PMOS晶體管中VSD)表示。
    MOS晶體管
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