MOS管工作原理详解：各种mos管的转移特性曲线分析-KIA MOS管

mos管(guan)的转移特性曲线分析-简介

金属(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)半导体(ti)场(chang)效应(ying)(MOS)晶体(ti)管可(ke)分(fen)(fen)为N沟(gou)道与(yu)P沟(gou)道两大类， P沟(gou)道硅(gui)MOS场(chang)效应(ying)晶体(ti)管在N型(xing)硅(gui)衬底上有两个P+区(qu)，分(fen)(fen)别叫做源极(ji)(ji)和(he)漏(lou)极(ji)(ji)，两极(ji)(ji)之间不通导，源极(ji)(ji)上加有足够的正(zheng)电(dian)压(栅极(ji)(ji)接地)时，栅极(ji)(ji)下的N型(xing)硅(gui)表面(mian)呈(cheng)现P型(xing)反(fan)型(xing)层，成为连(lian)接源极(ji)(ji)和(he)漏(lou)极(ji)(ji)的沟(gou)道。改变栅压可(ke)以改变沟(gou)道中的空(kong)穴密(mi)度，从而改变沟(gou)道的电(dian)阻。

这(zhei)种(zhong)MOS场效应晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)称(cheng)为(wei)P沟(gou)道(dao)增(zeng)强型场效应晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)。如果N型硅(gui)衬底表(biao)面不(bu)加栅压就已存在P型反型层(ceng)沟(gou)道(dao)，加上(shang)适当的偏压，可使沟(gou)道(dao)的电(dian)阻增(zeng)大或减小。这(zhei)样的MOS场效应晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)称(cheng)为(wei)P沟(gou)道(dao)耗尽型场效应晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)。统(tong)称(cheng)为(wei)PMOS晶(jing)体(ti)(ti)管(guan)。

VGS对漏极电流的控制关系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const这(zhei)一曲线描述(shu)，称为转移(yi)特性(xing)曲线，MOS管工作原理动画见(jian)下(xia)图。转(zhuan)移(yi)特性曲线的斜率gm的大小反(fan)映了栅源电压(ya)对漏极(ji)电流的控制作用。gm的量纲为(wei)mA/V，所以gm也称为(wei)跨导(dao)。

转移特性曲线

mos管(guan)(guan)的(de)转(zhuan)移特性(xing)曲(qu)线，MOS管(guan)(guan)工(gong)(gong)作(zuo)原(yuan)(yuan)理动画2—54（a）为(wei)(wei)N沟道(dao)增强型(xing)MOS管(guan)(guan)工(gong)(gong)作(zuo)原(yuan)(yuan)理动画图(tu)，其电(dian)(dian)(dian)路符号如(ru)图(tu)2—54（b）所示。它是用(yong)(yong)一(yi)块掺杂(za)浓度(du)(du)较低的(de)P型(xing)硅片作(zuo)为(wei)(wei)衬(chen)底(di)，利用(yong)(yong)扩散工(gong)(gong)艺在(zai)衬(chen)底(di)上(shang)扩散两个(ge)高掺杂(za)浓度(du)(du)的(de)N型(xing)区（用(yong)(yong)N+表示），并在(zai)此N型(xing)区上(shang)引出两个(ge)欧(ou)姆接触电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)，分(fen)别称(cheng)为(wei)(wei)源(yuan)极(ji)(ji)(ji)（用(yong)(yong)S表示）和漏极(ji)(ji)(ji)（用(yong)(yong)D表示）。在(zai)源(yuan)区、漏区之间的(de)衬(chen)底(di)表面覆盖一(yi)层二氧化(hua)硅（SiO2）绝缘(yuan)(yuan)层，在(zai)此绝缘(yuan)(yuan)层上(shang)沉积出金(jin)属(shu)铝层并引出电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)作(zuo)为(wei)(wei)栅(zha)极(ji)(ji)(ji)（用(yong)(yong)G表示）。从衬(chen)底(di)引出一(yi)个(ge)欧(ou)姆接触电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)称(cheng)为(wei)(wei)衬(chen)底(di)电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)（用(yong)(yong)B表示）。由于(yu)栅(zha)极(ji)(ji)(ji)与其它电(dian)(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)之间是相(xiang)互绝缘(yuan)(yuan)的(de)，所以称(cheng)它为(wei)(wei)绝缘(yuan)(yuan)栅(zha)型(xing)场效(xiao)应(ying)管(guan)(guan)。MOS管(guan)(guan)工(gong)(gong)作(zuo)原(yuan)(yuan)理动画图(tu)2—54（a）中的(de)L为(wei)(wei)沟道(dao)长度(du)(du)，W为(wei)(wei)沟道(dao)宽度(du)(du)。

图2—54所示的MOSFET，当栅极G和源(yuan)极S之(zhi)间不(bu)加(jia)任何电(dian)压，即UGS=时,由于(yu)漏极和源(yuan)极两(liang)(liang)个N+型区之(zhi)间隔有P型衬底，相(xiang)当于(yu)两(liang)(liang)个背靠背连接的PN结，它(ta)们之(zhi)间的电(dian)阻高达1012W的数量(liang)级(ji)，也(ye)就(jiu)是说D、S之(zhi)间不(bu)具备导(dao)电(dian)的沟(gou)道，所以无论漏、源(yuan)极之(zhi)间加(jia)何种极性的电(dian)压，都不(bu)会(hui)产生漏极电(dian)流ID。

当将衬(chen)底B与(yu)(yu)源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)S短接，在栅(zha)极(ji)(ji)G和源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)S之间(jian)加正电(dian)压，即UGS﹥0时,MOS管工作原(yuan)理(li)动(dong)(dong)画(hua)图2—55（a）所示(shi)，则在栅(zha)极(ji)(ji)与(yu)(yu)衬(chen)底之间(jian)产(chan)生(sheng)一个由栅(zha)极(ji)(ji)指向衬(chen)底的电(dian)场(chang)。在这(zhei)个电(dian)场(chang)的作用下，P衬(chen)底表面附近的空穴受到排斥(chi)将向下方运动(dong)(dong)，电(dian)子(zi)受电(dian)场(chang)的吸引(yin)向衬(chen)底表面运动(dong)(dong)，与(yu)(yu)衬(chen)底表面的空穴复合，形(xing)成了一层(ceng)耗尽(jin)层(ceng)。

如果进一步提高UGS电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，使(shi)UGS达到(dao)(dao)某(mou)一电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)UT时(shi)，P衬(chen)底表(biao)(biao)面(mian)层(ceng)中空穴(xue)全部被(bei)排斥和耗尽，而自由(you)电(dian)(dian)(dian)子(zi)大量地被(bei)吸引到(dao)(dao)表(biao)(biao)面(mian)层(ceng)，由(you)量变到(dao)(dao)质变，使(shi)表(biao)(biao)面(mian)层(ceng)变成(cheng)了自由(you)电(dian)(dian)(dian)子(zi)为(wei)多(duo)子(zi)的N型(xing)层(ceng)，称(cheng)为(wei)“反(fan)型(xing)层(ceng)”，MOS管工作原(yuan)理动画图2—55（b）所(suo)(suo)示(shi)(shi)。反(fan)型(xing)层(ceng)将漏极D和源极S两个N+型(xing)区相连通，构(gou)成(cheng)了漏、源极之间的N型(xing)导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)沟(gou)(gou)道(dao)。把(ba)开始形成(cheng)导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)沟(gou)(gou)道(dao)所(suo)(suo)需的UGS值称(cheng)为(wei)阈(yu)值电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)或开启(qi)电(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)，用UT表(biao)(biao)示(shi)(shi)。显(xian)然，只有UGS﹥UT时(shi)才有沟(gou)(gou)道(dao)，而且UGS越(yue)(yue)大，沟(gou)(gou)道(dao)越(yue)(yue)厚，沟(gou)(gou)道(dao)的导(dao)(dao)通电(dian)(dian)(dian)阻(zu)越(yue)(yue)小(xiao)，导(dao)(dao)电(dian)(dian)(dian)能(neng)力越(yue)(yue)强。这就是(shi)为(wei)什么把(ba)它称(cheng)为(wei)增(zeng)强型(xing)的缘故。

在UGS﹥UT的(de)(de)(de)条件下，如果(guo)在漏(lou)极D和源(yuan)极S之间加上正电压(ya)UDS，导电沟(gou)道(dao)(dao)(dao)就(jiu)会有电流(liu)流(liu)通。漏(lou)极电流(liu)由漏(lou)区流(liu)向源(yuan)区，因为(wei)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)有一定的(de)(de)(de)电阻，所(suo)以(yi)沿着沟(gou)道(dao)(dao)(dao)产生电压(ya)降，使沟(gou)道(dao)(dao)(dao)各点的(de)(de)(de)电位沿沟(gou)道(dao)(dao)(dao)由漏(lou)区到源(yuan)区逐渐(jian)减(jian)小，靠(kao)(kao)(kao)近(jin)漏(lou)区一端(duan)的(de)(de)(de)电压(ya)UGD最(zui)小，其值为(wei)UGD=UGS－UDS,相应的(de)(de)(de)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)最(zui)薄(bo)；靠(kao)(kao)(kao)近(jin)源(yuan)区一端(duan)的(de)(de)(de)电压(ya)最(zui)大(da)，等(deng)于UGS,相应的(de)(de)(de)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)最(zui)厚。这样就(jiu)使得沟(gou)道(dao)(dao)(dao)厚度(du)不再是均(jun)匀的(de)(de)(de)，整个沟(gou)道(dao)(dao)(dao)呈倾斜状(zhuang)。随着UDS的(de)(de)(de)增大(da)，靠(kao)(kao)(kao)近(jin)漏(lou)区一端(duan)的(de)(de)(de)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)越(yue)来越(yue)薄(bo)。

当UDS增(zeng)大(da)(da)到(dao)某一(yi)临界(jie)值，使UGD≤UT时(shi)(shi)，漏(lou)(lou)端的沟(gou)道消失，只剩(sheng)下耗尽(jin)(jin)层，把这种情况称为沟(gou)道“预夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)”，MOS管(guan)工作(zuo)原理动画图2—56（a）所示。继续(xu)增(zeng)大(da)(da)UDS(即UDS＞UGS－UT)，夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)点(dian)向(xiang)源极方(fang)向(xiang)移动，MOS管(guan)工作(zuo)原理动画图2—56（b）所示。尽(jin)(jin)管(guan)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)点(dian)在(zai)移动，但沟(gou)道区(qu)（源极S到(dao)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)点(dian)）的电(dian)压(ya)降(jiang)保持不变(bian)，仍等于UGS－UT。因(yin)此,UDS多余部分电(dian)压(ya)[UDS－(UGS－UT)]全部降(jiang)到(dao)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)上，在(zai)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)内形成较强的电(dian)场(chang)。这时(shi)(shi)电(dian)子沿沟(gou)道从源极流向(xiang)夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)，当电(dian)子到(dao)达夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)边缘时(shi)(shi)，受夹(jia)(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)强电(dian)场(chang)的作(zuo)用(yong)，会(hui)很快的漂移到(dao)漏(lou)(lou)极。

N沟(gou)道耗尽型MOSFET的结构(gou)和转移特性(xing)曲线

mos管的转移特性(xing)曲线，由于耗尽型MOSFET在uGS=0时，漏源之(zhi)间(jian)(jian)的沟道(dao)已(yi)经存在，所以只要加上(shang)uDS,就有iD流(liu)通。如果增加正向栅压uGS，栅极与衬底之(zhi)间(jian)(jian)的电(dian)场(chang)将(jiang)使沟道(dao)中感应更多的电(dian)子(zi)，沟道(dao)变厚，沟道(dao)的电(dian)导增大。如(ru)果在(zai)栅极加负电(dian)(dian)压(ya)（即(ji)(ji)uGS＜0＝，就会(hui)在(zai)相对(dui)应(ying)的衬(chen)(chen)底表面感应(ying)出正电(dian)(dian)荷，这些(xie)正电(dian)(dian)荷抵消N沟(gou)(gou)道(dao)中(zhong)的电(dian)(dian)子，从而在(zai)衬(chen)(chen)底表面产生一(yi)个(ge)耗(hao)尽(jin)层，使(shi)沟(gou)(gou)道(dao)变(bian)窄，沟(gou)(gou)道(dao)电(dian)(dian)导减小。当负栅压(ya)增大到某(mou)一(yi)电(dian)(dian)压(ya)Up时(shi)，耗(hao)尽(jin)区扩展到整个(ge)沟(gou)(gou)道(dao)，沟(gou)(gou)道(dao)完全(quan)被夹(jia)断（耗(hao)尽(jin)），这时(shi)即(ji)(ji)使(shi)uDS仍存在(zai)，也不(bu)会(hui)产生漏极电(dian)(dian)流(liu)，即(ji)(ji)iD=0。UP称为夹(jia)断电(dian)(dian)压(ya)或阈值电(dian)(dian)压(ya)，其值通常在(zai)–1V–10V之间N沟(gou)(gou)道(dao)耗(hao)尽(jin)型MOSFET的输(shu)出特性(xing)曲线(xian)和转移(yi)特性(xing)曲线(xian)分(fen)别如(ru)图2—60（a）、（b）所示。

P沟道(dao)MOSFET的(de)工作原理与N沟道(dao)MOSFET完全(quan)相(xiang)同(tong)，只不过导电(dian)(dian)的(de)载流(liu)子不同(tong)，供(gong)电(dian)(dian)电(dian)(dian)压极性不同(tong)而已。这(zhei)如(ru)同(tong)双(shuang)极型(xing)三极管有NPN型(xing)和(he)PNP型(xing)一(yi)样。

主要参数

(1) 直(zhi)流(liu)参数

指耗(hao)尽型(xing)(xing)MOS夹断电压(ya)UGS=UGS(off) 、增强型(xing)(xing)MOS管开启电压(ya)UGS(th)、耗(hao)尽型(xing)(xing)场(chang)效应(ying)三极管的饱(bao)和漏极电流IDSS(UGS=0时所对应(ying)的漏极电流)、输(shu)入电阻RGS.

(2) 低(di)频(pin)跨导(dao)gm

gm可以在转移(yi)特性(xing)曲线上求取，单位是mS(毫(hao)西(xi)门子)。

(3) 最大漏(lou)极电(dian)流IDM

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