如何判断mos管工作状态

如何判断(duan)mos管工作状(zhuang)态(tai)，文中将会(hui)具(ju)体描述出(chu)来。mos管的工作状(zhuang)态(tai)一(yi)共有两种(zhong)：增(zeng)强型和(he)(he)耗尽(jin)型两类又(you)有N沟道和(he)(he)P沟道之分。

mos管是(shi)(shi)金(jin)属(metal)、氧化物(wu)(oxide)、半(ban)导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是(shi)(shi)金(jin)属—绝缘体(insulator)、半(ban)导体。MOS管的(de)source和(he)drain是(shi)(shi)可(ke)以对调的(de)，他们都是(shi)(shi)在(zai)P型backgate中形成(cheng)的(de)N型区。在(zai)多数情况下，这个(ge)(ge)两个(ge)(ge)区是(shi)(shi)一样的(de)，即使(shi)两端对调也不会影(ying)响器件(jian)的(de)性能(neng)。这样的(de)器件(jian)被认(ren)为是(shi)(shi)对称的(de)。

如何判断mos管工作状态-N沟道增强型MOS场效应管

（1）vGS对iD及沟道的控制(zhi)作用

① vGS=0 的情(qing)况

从图(tu)1(a)可(ke)以看出，增强型(xing)MOS管(guan)的(de)(de)漏(lou)(lou)极d和源极s之(zhi)间有两个背(bei)靠背(bei)的(de)(de)PN结。当栅——源电压vGS=0时，即使(shi)加(jia)上漏(lou)(lou)——源电压vDS，而且不论vDS的(de)(de)极性如(ru)何，总有一个PN结处于反偏(pian)状(zhuang)态，漏(lou)(lou)——源极间没有导(dao)电沟道，所以这时漏(lou)(lou)极电流(liu)iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则(ze)栅极和(he)衬(chen)底之间的SiO2绝缘层中(zhong)便产生一个(ge)电(dian)(dian)场(chang)。电(dian)(dian)场(chang)方向垂直于半(ban)导体表(biao)面的由栅极指向衬(chen)底的电(dian)(dian)场(chang)。这个(ge)电(dian)(dian)场(chang)能排(pai)斥(chi)空穴而吸引电(dian)(dian)子。

排斥空(kong)(kong)穴(xue)：使栅极附近的(de)P型(xing)衬(chen)底(di)中的(de)空(kong)(kong)穴(xue)被(bei)排斥，剩下(xia)不能(neng)移动(dong)的(de)受主离(li)子(zi)(负离(li)子(zi))，形成(cheng)耗(hao)尽(jin)层(ceng)。吸引(yin)电(dian)子(zi)：将 P型(xing)衬(chen)底(di)中的(de)电(dian)子(zi)（少子(zi)）被(bei)吸引(yin)到衬(chen)底(di)表面(mian)。

（2）导电沟道的形成：

当(dang)vGS数值(zhi)较(jiao)小(xiao)，吸(xi)引(yin)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)的能力不强(qiang)时(shi)，漏——源(yuan)极之间仍无导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)出现，如图1(b)所(suo)示。vGS增加时(shi)，吸(xi)引(yin)到(dao)P衬底表(biao)面(mian)层(ceng)的电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)就(jiu)增多，当(dang)vGS达到(dao)某一数值(zhi)时(shi)，这些电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)在栅极附近的P衬底表(biao)面(mian)便形成一个(ge)N型(xing)薄层(ceng)，且(qie)与(yu)两个(ge)N+区相连通，在漏——源(yuan)极间形成N型(xing)导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)，其导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)类型(xing)与(yu)P衬底相反，故又称为反型(xing)层(ceng)，如图1(c)所(suo)示。vGS越大，作用于半导(dao)体表(biao)面(mian)的电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场就(jiu)越强(qiang)，吸(xi)引(yin)到(dao)P衬底表(biao)面(mian)的电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)就(jiu)越多，导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟(gou)道(dao)越厚，沟(gou)道(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻越小(xiao)。

开始(shi)形(xing)成(cheng)沟道时的栅——源(yuan)极电(dian)压称为开启电(dian)压，用VT表示。

上面讨论的(de)N沟(gou)(gou)道(dao)MOS管(guan)(guan)在(zai)vGS＜VT时，不能形(xing)成导电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)，管(guan)(guan)子处于截止(zhi)状(zhuang)态。只有当vGS≥VT时，才有沟(gou)(gou)道(dao)形(xing)成。这种必须在(zai)vGS≥VT时才能形(xing)成导电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)的(de)MOS管(guan)(guan)称为增强(qiang)型(xing)MOS管(guan)(guan)。沟(gou)(gou)道(dao)形(xing)成以后(hou)，在(zai)漏——源极(ji)间加上正向电(dian)压vDS，就有漏极(ji)电(dian)流产生。

vDS对iD的影(ying)响

如(ru)图(a)所示(shi)，当vGS>VT且为(wei)一确定(ding)值时(shi)，漏(lou)——源电压vDS对导(dao)电沟道及(ji)电流(liu)iD的影(ying)响与结型(xing)场(chang)效应管相(xiang)似。

漏(lou)极电流iD沿(yan)沟(gou)道(dao)产(chan)生的电压(ya)降(jiang)使沟(gou)道(dao)内各点(dian)与(yu)栅极间的电压(ya)不再相(xiang)等，靠近源极一(yi)端的电压(ya)最(zui)(zui)大，这(zhei)里沟(gou)道(dao)最(zui)(zui)厚(hou)，而(er)漏(lou)极一(yi)端电压(ya)最(zui)(zui)小，其(qi)值为VGD=vGS－vDS，因(yin)而(er)这(zhei)里沟(gou)道(dao)最(zui)(zui)薄。但当vDS较(jiao)小（vDS

随(sui)着vDS的(de)增大，靠(kao)近(jin)漏极(ji)的(de)沟道(dao)越来越薄，当(dang)vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时(shi)，沟道(dao)在漏极(ji)一(yi)端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向(xiang)源极(ji)方(fang)向(xiang)移动，如图2(c)所示。由于vDS的(de)增加部分几乎全部降落在夹断区(qu)，故(gu)iD几乎不随(sui)vDS增大而增加，管子(zi)进入饱(bao)和(he)区(qu)，iD几乎仅由vGS决定。

如何判断mos管工作状态-N沟道增强型MOS场效应管

（1）结构：

N沟(gou)道(dao)耗尽(jin)型MOS管与N沟(gou)道(dao)增强型MOS管基本相似。

（2）区别(bie)：

耗尽型MOS管(guan)在vGS=0时，漏——源极间已有(you)导(dao)电(dian)沟道(dao)产生，而增强型MOS管(guan)要在vGS≥VT时才出现导(dao)电(dian)沟道(dao)。

（3）原因：

制造N沟(gou)道(dao)耗尽型MOS管时，在(zai)SiO2绝缘层中掺入了(le)大量(liang)的碱金(jin)属正离(li)子Na+或(huo)K+(制造P沟(gou)道(dao)耗尽型MOS管时掺入负离(li)子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在(zai)这些(xie)正离(li)子产(chan)生的电场作用下，漏——源极间(jian)的P型衬底表面也能(neng)感应生成N沟(gou)道(dao)(称为(wei)初始沟(gou)道(dao))，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。

如果加上正的vGS，栅(zha)(zha)极与N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)间(jian)的电(dian)(dian)场将在(zai)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)中吸引来更(geng)多的电(dian)(dian)子(zi)，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)加宽，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)阻变(bian)小，iD增(zeng)大(da)。反之vGS为负(fu)时，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)中感应的电(dian)(dian)子(zi)减少，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)变(bian)窄，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)电(dian)(dian)阻变(bian)大(da)，iD减小。当vGS负(fu)向(xiang)增(zeng)加到某一数值时，导电(dian)(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)消(xiao)失，iD趋于零，管(guan)子(zi)截止，故称为耗尽型(xing)。沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)消(xiao)失时的栅(zha)(zha)－源电(dian)(dian)压(ya)称为夹断电(dian)(dian)压(ya)，仍用VP表示。与N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)结型(xing)场效应管(guan)相同，N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)耗尽型(xing)MOS管(guan)的夹断电(dian)(dian)压(ya)VP也为负(fu)值，但(dan)是，前者只(zhi)能在(zai)vGS<0的情况下工作。而后者在(zai)vGS=0，vGS>0。

N沟道增强型MOS管MOS管曲线和电流方程

输出特性曲线

N沟道增强(qiang)型MOS管(guan)的输出(chu)(chu)特(te)性(xing)曲线(xian)如(ru)图1(a)所示。与结型场效应管(guan)一(yi)样,其输出(chu)(chu)特(te)性(xing)曲线(xian)也可分为(wei)可变电阻(zu)区、饱和(he)区、截(jie)止区和(he)击穿区几(ji)部(bu)分。转移(yi)特(te)性(xing)曲线(xian)

转移(yi)特(te)性曲(qu)线(xian)(xian)(xian)如图1(b)所示,由(you)于场效应管(guan)作(zuo)(zuo)放大器(qi)件(jian)使(shi)用时是(shi)工作(zuo)(zuo)在饱和(he)区(恒流区),此时iD几乎不随vDS而变(bian)化,即不同的(de)vDS所对应的(de)转移(yi)特(te)性曲(qu)线(xian)(xian)(xian)几乎是(shi)重合的(de),所以可用vDS大于某一数值(vDS＞vGS-VT)后的(de)一条转移(yi)特(te)性曲(qu)线(xian)(xian)(xian)代替饱和(he)区的(de)所有转移(yi)特(te)性曲(qu)线(xian)(xian)(xian).?iD

与vGS的近似(si)关系

与结(jie)型(xing)场效应(ying)管相类(lei)似。在饱和区内(nei),iD与vGS的近似关系式为(wei)

式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD。

P沟道耗尽型MOS管

P沟道(dao)MOSFET的(de)工作原(yuan)理与N沟道(dao)MOSFET完全相同(tong)，只不过(guo)导电(dian)的(de)载流子不同(tong)，供电(dian)电(dian)压极性不同(tong)而已。这如同(tong)双极型(xing)三极管有NPN型(xing)和(he)PNP型(xing)一样。

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