MOS管工作原理詳解：各種mos管的轉移特性曲線(xiàn)分析-KIA MOS管

mos管的轉移特性曲線(xiàn)分析-簡(jiǎn)介

金屬氧化物半導體場(chǎng)效應(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類(lèi)， P溝道硅MOS場(chǎng)效應晶體管在N型硅襯底上有兩個(gè)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(shí)，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(chǎng)效應晶體管稱(chēng)為P溝道增強型場(chǎng)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(chǎng)效應晶體管稱(chēng)為P溝道耗盡型場(chǎng)效應晶體管。統稱(chēng)為PMOS晶體管。

VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線(xiàn)描述，稱(chēng)為轉移特性曲線(xiàn)，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)見(jiàn)下圖。轉移特性曲線(xiàn)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(chēng)為跨導。

轉移特性曲線(xiàn)

mos管的轉移特性曲線(xiàn)，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)2—54（a）為N溝道增強型MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)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(gè)高摻雜濃度的N型區（用N+表示），并在此N型區上引出兩個(gè)歐姆接觸電極，分別稱(chēng)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(gè)歐姆接觸電極稱(chēng)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(chēng)它為絕緣柵型場(chǎng)效應管。MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—54（a）中的L為溝道長(cháng)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(shí),由于漏極和源極兩個(gè)N+型區之間隔有P型襯底，相當于兩個(gè)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(shuō)D、S之間不具備導電的溝道，所以無(wú)論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì )產(chǎn)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(shí),MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—55（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)。在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運動(dòng)，與襯底表面的空穴復合，形成了一層耗盡層。

如果進(jìn)一步提高UGS電壓，使UGS達到某一電壓UT時(shí)，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(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱(chēng)為“反型層”，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—55（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)N+型區相連通，構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開(kāi)始形成導電溝道所需的UGS值稱(chēng)為閾值電壓或開(kāi)啟電壓，用UT表示。顯然，只有UGS﹥UT時(shí)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(chēng)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(huì )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(zhù)溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)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??；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(gè)溝道呈傾斜狀。隨著(zhù)UDS的增大，靠近漏區一端的溝道越來(lái)越薄。

當UDS增大到某一臨界值，使UGD≤UT時(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱(chēng)為溝道“預夾斷”，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—56（a）所示。繼續增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—56（b）所示。盡管夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區（源極S到夾斷點(diǎn)）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(chǎng)。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區，當電子到達夾斷區邊緣時(shí)，受夾斷區強電場(chǎng)的作用，會(huì )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(xiàn)

mos管的轉移特性曲線(xiàn)，由于耗盡型MOSFET在uGS=0時(shí)，漏源之間的溝道已經(jīng)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(chǎng)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(huì )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(chǎn)生一個(gè)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(shí)，耗盡區擴展到整個(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)即使uDS仍存在，也不會(huì )產(chǎn)生漏極電流，即iD=0。UP稱(chēng)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(xiàn)和轉移特性曲線(xiàn)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(guò)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。

主要參數

(1) 直流參數

指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS(off) 、增強型MOS管開(kāi)啟電壓UGS(th)、耗盡型場(chǎng)效應三極管的飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)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(xiàn)上求取，單位是mS(毫西門(mén)子)。

(3) 最大漏極電流IDM

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