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

mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線分析-簡(jiǎn)介

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)(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(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個(gè)P+區(qū)，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導(dǎo)，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(xiàn)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(yīng)晶體管稱(chēng)為P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如果N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道，加上適當(dāng)?shù)钠珘?，可使溝道的電阻增大或減小。這樣的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱(chēng)為P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱(chēng)為PMOS晶體管。

VGS對(duì)漏極電流的控制關(guān)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述，稱(chēng)為轉(zhuǎn)移特性曲線，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)見(jiàn)下圖。轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)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(dǎo)。

mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線

mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)2—54（a）為N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖，其電路符號(hào)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(kuò)散工藝在襯底上擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜濃度的N型區(qū)（用N+表示），并在此N型區(qū)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(qū)、漏區(qū)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(yīng)管。MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—54（a）中的L為溝道長(zhǎng)度，W為溝道寬度。

mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線

圖2—54所示的MOSFET，當(dāng)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(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012W的數(shù)量級(jí)，也就是說(shuō)D、S之間不具備導(dǎo)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(dāng)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(yùn)動(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運(yùn)動(dòng)，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。

如果進(jìn)一步提高UGS電壓，使UGS達(dá)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(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開(kāi)始形成導(dǎo)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(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。這就是為什么把它稱(chēng)為增強(qiáng)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(dǎo)電溝道就會(huì)有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮?，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相應(yīng)的溝道最薄；靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于UGS,相應(yīng)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UDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來(lái)越薄。

mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線

當(dāng)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(yù)夾斷”，MOS管工作原理動(dòng)畫(huà)圖2—56（a）所示。繼續(xù)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(qū)（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(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場(chǎng)。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用，會(huì)很快的漂移到漏極。

mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線

N溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移特性曲線

mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線，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(yīng)更多的電子，溝道變厚，溝道的電導(dǎo)增大。如果在柵極加負(fù)電壓（即uGS＜0＝，就會(huì)在相對(duì)應(yīng)的襯底表面感應(yīng)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(dǎo)減小。當(dāng)負(fù)柵壓增大到某一電壓Up時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)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的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線分別如圖2—60（a）、（b）所示。

mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線