要使增強(qiáng)型N溝道MOSFET工作,要在G、S之間加正電壓VGS及在D、S之間加正電壓VDS,則產(chǎn)生正向工作電流ID。改變VGS的電壓可控制工作電流ID。如圖2所示。若先不接VGS(即VGS=0),在D與S極之間加一正電壓VDS,漏極D與襯底之間的PN結(jié)處于反向,因此漏源之間不能導(dǎo)電。如果在柵極G與源極S之間加一電壓VGS。此時(shí)可以將柵極與襯底看作電容器的兩個(gè)極板,而氧化物絕緣層作為電容器的介質(zhì)。當(dāng)加上VGS時(shí),在絕緣層和柵極界面上感應(yīng)出正電荷,而在絕緣層和P型襯底界面上感應(yīng)出負(fù)電荷。這層感應(yīng)的負(fù)電荷和P型襯底中的多數(shù)載流子(空穴)的極性相反,所以稱為“反型層”,這反型層有可能將漏與源的兩N型區(qū)連接起來形成導(dǎo)電溝道。當(dāng)VGS電壓太低時(shí),感應(yīng)出來的負(fù)電荷較少,它將被P型襯底中的空穴中和,因此在這種情況時(shí),漏源之間仍然無電流ID。當(dāng)VGS增加到一定值時(shí),其感應(yīng)的負(fù)電荷把兩個(gè)分離的N區(qū)溝通形成N溝道,這個(gè)臨界電壓稱為開啟電壓(或稱閾值電壓、門限電壓),用符號VT表示(一般規(guī)定在ID=10uA時(shí)的VGS作為VT)。MOS電容的特性決定了MOSFET的操作特性。紹興小型MOSFET
MOSFET在概念上屬于“絕緣柵極場效晶體管”(Insulated-Gate Field Effect Transistor,IGFET),而IGFET的柵極絕緣層有可能是其他物質(zhì)而非MOSFET使用的氧化層。有些人在提到擁有多晶硅柵極的場效晶體管元件時(shí)比較喜歡用IGFET,但是這些IGFET多半指的是MOSFET。MOSFET里的氧化層位于其通道上方,依照其操作電壓的不同,這層氧化物的厚度至少有數(shù)十至數(shù)百埃(Å)不等,通常材料是二氧化硅(silicon dioxide,SiO2),不過有些新的進(jìn)階制程已經(jīng)可以使用如氮氧化硅(silicon oxynitride,SiON)做為氧化層之用。西安MOSFET銷售廠家MOSFET的尺寸變小意味著柵極面積減少,如此可以降低等效的柵極電容。
當(dāng)MOSFET的尺寸縮的非常小、柵極氧化層也變得非常薄時(shí),例如編輯此文時(shí) 制程可以把氧化層縮到一納米左右的厚度,一種過去沒有發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象也隨之產(chǎn)生,這種現(xiàn)象稱為“多晶硅耗盡”。當(dāng)MOSFET的反轉(zhuǎn)層形成時(shí),有多晶硅耗盡現(xiàn)象的MOSFET柵極多晶硅靠近氧化層處,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)耗盡層(depletion layer),影響MOSFET導(dǎo)通的特性。要解決這種問題,金屬柵極是 的方案。可行的材料包括鉭(Tantalum)、鎢、氮化鉭(Tantalum Nitride),或是氮化鈦(Titalium Nitride)。這些金屬柵極通常和高介電常數(shù)物質(zhì)形成的氧化層一起構(gòu)成MOS電容。另外一種解決方案是將多晶硅完全的合金化,稱為FUSI(FUlly-SIlicide polysilicon gate)制程。
MOSFET的應(yīng)用:數(shù)字科技的進(jìn)步,如微處理器運(yùn)算效能不斷提升,帶給深入研發(fā)新一代MOSFET更多的動(dòng)力,這也使得MOSFET本身的操作速度越來越快,幾乎成為各種半導(dǎo)體主動(dòng)元件中極快的一種。MOSFET在數(shù)字信號處理上較主要的成功來自CMOS邏輯電路的發(fā)明,這種結(jié)構(gòu)的好處是理論上不會(huì)有靜態(tài)的功率損耗,只有在邏輯門(logic gate)的切換動(dòng)作時(shí)才有電流通過。CMOS邏輯門較基本的成員是CMOS反相器(inverter),而所有CMOS邏輯門的基本操作都如同反相器一樣,在邏輯轉(zhuǎn)換的瞬間同一時(shí)間內(nèi)必定只有一種晶體管(NMOS或是PMOS)處在導(dǎo)通的狀態(tài)下,另一種必定是截止?fàn)顟B(tài),這使得從電源端到接地端不會(huì)有直接導(dǎo)通的路徑,大量節(jié)省了電流或功率的消耗,也降低了集成電路的發(fā)熱量。MOSFET結(jié)構(gòu):為了改善某些參數(shù)的特性,如提高工作電流、提高工作電壓特性等有不同的結(jié)構(gòu)及工藝。
MOSFET的應(yīng)用廣,隨著MOSFET技術(shù)的不斷演進(jìn),CMOS技術(shù)也已經(jīng)可以符合很多模擬電路的規(guī)格需求。再加上MOSFET因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的關(guān)系,沒有BJT的一些致命缺點(diǎn),如熱破壞(thermal runaway)。另外,MOSFET在線性區(qū)的壓控電阻特性亦可在集成電路里用來取代傳統(tǒng)的多晶硅電阻(poly resistor),或是MOS電容本身可以用來取代常用的多晶硅—絕緣體—多晶硅電容(PIP capacitor),甚至在適當(dāng)?shù)碾娐房刂葡驴梢员憩F(xiàn)出電感(inductor)的特性,這些好處都是BJT很難提供的。也就是說,MOSFET除了扮演原本晶體管的角色外,也可以用來作為模擬電路中大量使用的被動(dòng)元件(passive device)。這樣的優(yōu)點(diǎn)讓采用MOSFET實(shí)現(xiàn)模擬電路不但可以滿足規(guī)格上的需求,還可以有效縮小芯片的面積,降低生產(chǎn)成本。MOSFET在數(shù)字電路上應(yīng)用的大優(yōu)勢是對直流(DC)信號而言,MOSFET的柵極端阻抗為無限大。紹興小型MOSFET
MOSFET的重點(diǎn)參數(shù)有:金屬—氧化層—半導(dǎo)體電容。紹興小型MOSFET
在MOSFET器件應(yīng)用時(shí)除了要考慮器件的電壓、電流、頻率外,還必須掌握在應(yīng)用中如何保護(hù)器件,不使器件在瞬態(tài)變化中受損害。當(dāng)然晶閘管是兩個(gè)雙極型晶體管的組 合,又加上因大面積帶來的大電容,所以其dv/dt能力是較為脆弱的。對di/dt來說,它還存在一個(gè)導(dǎo)通區(qū)的擴(kuò)展問題,所以也帶來相當(dāng)嚴(yán)格的限制。功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒(而不是每微秒)的能力來估量。但盡管如此,它也存在動(dòng)態(tài)性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結(jié)構(gòu)來予以理解。除了器件的幾乎每一部分存在電容以外,還必須考慮MOSFET還并聯(lián)著一個(gè)二極管。同時(shí)從某個(gè)角度看、它還存在一個(gè)寄生晶體管。(就像IGBT也寄生著一個(gè)晶閘管一樣)。這幾個(gè)方面,是研究MOSFET動(dòng)態(tài)特性很重要的因素。紹興小型MOSFET
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