MOS管工作原理詳解：各種mos管的轉移特性曲線分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-10-10
金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類， P溝道硅MOS場效應晶體管在N型硅襯底上有兩個P+區，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導，源極上加有足夠的正電壓(柵極接地)時，柵極下的N型硅表面呈現P型反型層，成為連接源極和漏極的溝道。改變柵壓可以改變溝道中的空穴密度，從而改變溝道的電阻。
這種MOS場效應晶體管稱為P溝道增強型場效應晶體管。如果N型硅襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道，加上適當的偏壓，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場效應晶體管稱為P溝道耗盡型場效應晶體管。統稱為PMOS晶體管。
VGS對漏極電流的控制關系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述，稱為轉移特性曲線，MOS管工作原理動畫見下圖。轉移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對漏極電流的控制作用。gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導。
轉移特性曲線
mos管的轉移特性曲線，MOS管工作原理動畫2—54（a）為N溝道增強型MOS管工作原理動畫圖，其電路符號如圖2—54（b）所示。它是用一塊摻雜濃度較低的P型硅片作為襯底，利用擴散工藝在襯底上擴散兩個高摻雜濃度的N型區（用N+表示），并在此N型區上引出兩個歐姆接觸電極，分別稱為源極（用S表示）和漏極（用D表示）。在源區、漏區之間的襯底表面覆蓋一層二氧化硅（SiO2）絕緣層，在此絕緣層上沉積出金屬鋁層并引出電極作為柵極（用G表示）。從襯底引出一個歐姆接觸電極稱為襯底電極（用B表示）。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以稱它為絕緣柵型場效應管。MOS管工作原理動畫圖2—54（a）中的L為溝道長度，W為溝道寬度。
圖2—54所示的MOSFET，當柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=時,由于漏極和源極兩個N+型區之間隔有P型襯底，相當于兩個背靠背連接的PN結，它們之間的電阻高達1012W的數量級，也就是說D、S之間不具備導電的溝道，所以無論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會產生漏極電流ID。
當將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即UGS﹥0時,MOS管工作原理動畫圖2—55（a）所示，則在柵極與襯底之間產生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復合，形成了一層耗盡層。
如果進一步提高UGS電壓，使UGS達到某一電壓UT時，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，MOS管工作原理動畫圖2—55（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個N+型區相連通，構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的UGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導通電阻越小，導電能力越強。這就是為什么把它稱為增強型的緣故。
在UGS﹥UT的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓UDS，導電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區流向源區，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區到源區逐漸減小，靠近漏區一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相應的溝道最薄；靠近源區一端的電壓最大，等于UGS,相應的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大，靠近漏區一端的溝道越來越薄。
當UDS增大到某一臨界值，使UGD≤UT時，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預夾斷”，MOS管工作原理動畫圖2—56（a）所示。繼續增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夾斷點向源極方向移動，MOS管工作原理動畫圖2—56（b）所示。盡管夾斷點在移動，但溝道區（源極S到夾斷點）的電壓降保持不變，仍等于UGS－UT。因此,UDS多余部分電壓[UDS－(UGS－UT)]全部降到夾斷區上，在夾斷區內形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區，當電子到達夾斷區邊緣時，受夾斷區強電場的作用，會很快的漂移到漏極。
N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線
mos管的轉移特性曲線，由于耗盡型MOSFET在uGS=0時，漏源之間的溝道已經存在，所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向柵壓uGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應更多的電子，溝道變厚，溝道的電導增大。如果在柵極加負電壓（即uGS＜0＝，就會在相對應的襯底表面感應出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產生一個耗盡層，使溝道變窄，溝道電導減小。當負柵壓增大到某一電壓Up時，耗盡區擴展到整個溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時即使uDS仍存在，也不會產生漏極電流，即iD=0。UP稱為夾斷電壓或閾值電壓，其值通常在–1V–10V之間N溝道耗盡型MOSFET的輸出特性曲線和轉移特性曲線分別如圖2—60（a）、（b）所示。
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
(1) 直流參數
指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS(off) 、增強型MOS管開啟電壓UGS(th)、耗盡型場效應三極管的飽和漏極電流IDSS(UGS=0時所對應的漏極電流)、輸入電阻RGS.
(2) 低頻跨導gm
gm可以在轉移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。
(3) 最大漏極電流IDM
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