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

mos管的轉(zhuǎn)(zhuǎn)移特性曲線分析-簡(jiǎn)(jiǎn)介

金屬氧化物半導(dǎo)(dǎo)體場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類， P溝道硅MOS場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個(gè)(gè)P+區(qū)(qū)，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導(dǎo)(dǎo)，源極上加有足夠的正電壓(柵極接地)時(shí)(shí)，柵極下的N型硅表面呈現(xiàn)(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)(chǎng)效應(yīng)(yīng)晶體管稱為P溝道增強(qiáng)(qiáng)型場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)晶體管。如果N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鴕汛嬖赑型反型層溝道，加上適當(dāng)(dāng)?shù)鈉珘海墑箿系賴碾娮柙齟蠡驕p小。這樣的MOS場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)晶體管稱為P溝道耗盡型場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)晶體管。統(tǒng)(tǒng)稱為PMOS晶體管。

VGS對(duì)(duì)漏極電流的控制關(guān)(guān)系可用iD＝f(VGS(th))|VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)(zhuǎn)移特性曲線，MOS管工作原理動(dòng)(dòng)畫見下圖。轉(zhuǎn)(zhuǎn)移特性曲線的斜率gm的大小反映了柵源電壓對(duì)(duì)漏極電流的控制作用。gm的量綱為mA/V，所以gm也稱為跨導(dǎo)(dǎo)。

轉(zhuǎn)(zhuǎn)移特性曲線

mos管的轉(zhuǎn)(zhuǎn)移特性曲線，MOS管工作原理動(dòng)(dòng)畫2—54（a）為N溝道增強(qiáng)(qiáng)型MOS管工作原理動(dòng)(dòng)畫圖，其電路符號(hào)(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)(kuò)散工藝在襯底上擴(kuò)(kuò)散兩個(gè)(gè)高摻雜濃度的N型區(qū)(qū)（用N+表示），并在此N型區(qū)(qū)上引出兩個(gè)(gè)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(qū)(qū)、漏區(qū)(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)(gè)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(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)管。MOS管工作原理動(dòng)(dòng)畫圖2—54（a）中的L為溝道長(zhǎng)(zhǎng)度，W為溝道寬度。

圖2—54所示的MOSFET，當(dāng)(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即UGS=時(shí)(shí),由于漏極和源極兩個(gè)(gè)N+型區(qū)(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)(dāng)于兩個(gè)(gè)背靠背連接的PN結(jié)(jié)，它們之間的電阻高達(dá)(dá)1012W的數(shù)(shù)量級(jí)(jí)，也就是說(shuō)D、S之間不具備導(dǎo)(dǎo)電的溝道，所以無(wú)(wú)論漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)(huì)產(chǎn)(chǎn)生漏極電流ID。

當(dāng)(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)(shí),MOS管工作原理動(dòng)(dòng)畫圖2—55（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)(chǎn)生一個(gè)(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)(chǎng)。在這個(gè)(gè)電場(chǎng)(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)(yùn)動(dòng)(dòng)，電子受電場(chǎng)(chǎng)的吸引向襯底表面運(yùn)(yùn)動(dòng)(dòng)，與襯底表面的空穴復(fù)(fù)合，形成了一層耗盡層。

如果進(jìn)(jìn)一步提高UGS電壓，使UGS達(dá)(dá)到某一電壓UT時(shí)(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)(zhì)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(dòng)(dòng)畫圖2—55（b）所示。反型層將漏極D和源極S兩個(gè)(gè)N+型區(qū)(qū)相連通，構(gòu)(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)(dǎo)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(shí)(shí)才有溝道，而且UGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)(dǎo)電能力越強(qiáng)(qiáng)。這就是為什么把它稱為增強(qiáng)(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)(dǎo)電溝道就會(huì)(huì)有電流流通。漏極電流由漏區(qū)(qū)流向源區(qū)(qū)，因?yàn)闇系烙幸歡ǖ碾娮瑁匝刂鴾系喇a(chǎn)(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)(qū)到源區(qū)(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)(qū)一端的電壓UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相應(yīng)(yīng)的溝道最薄；靠近源區(qū)(qū)一端的電壓最大，等于UGS,相應(yīng)(yīng)的溝道最厚。這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)(gè)溝道呈傾斜狀。隨著UDS的增大，靠近漏區(qū)(qū)一端的溝道越來(lái)(lái)越薄。

當(dāng)(dāng)UDS增大到某一臨界值，使UGD≤UT時(shí)(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)(yù)夾斷”，MOS管工作原理動(dòng)(dòng)畫圖2—56（a）所示。繼續(xù)(xù)增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夾斷點(diǎn)(diǎn)向源極方向移動(dòng)(dòng)，MOS管工作原理動(dòng)(dòng)畫圖2—56（b）所示。盡管夾斷點(diǎn)(diǎn)在移動(dòng)(dòng)，但溝道區(qū)(qū)（源極S到夾斷點(diǎn)(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)(qū)上，在夾斷區(qū)(qū)內(nèi)(nèi)形成較強(qiáng)(qiáng)的電場(chǎng)(chǎng)。這時(shí)(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)(qū)，當(dāng)(dāng)電子到達(dá)(dá)夾斷區(qū)(qū)邊緣時(shí)(shí)，受夾斷區(qū)(qū)強(qiáng)(qiáng)電場(chǎng)(chǎng)的作用，會(huì)(huì)很快的漂移到漏極。

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

mos管的轉(zhuǎn)(zhuǎn)移特性曲線，由于耗盡型MOSFET在uGS=0時(shí)(shí)，漏源之間的溝道已經(jīng)(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)(chǎng)將使溝道中感應(yīng)(yīng)更多的電子，溝道變厚，溝道的電導(dǎo)(dǎo)增大。如果在柵極加負(fù)(fù)電壓（即uGS＜0＝，就會(huì)(huì)在相對(duì)(duì)應(yīng)(yīng)的襯底表面感應(yīng)(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)(chǎn)生一個(gè)(gè)耗盡層，使溝道變窄，溝道電導(dǎo)(dǎo)減小。當(dāng)(dāng)負(fù)(fù)柵壓增大到某一電壓Up時(shí)(shí)，耗盡區(qū)(qū)擴(kuò)(kuò)展到整個(gè)(gè)溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時(shí)(shí)即使uDS仍存在，也不會(huì)(huì)產(chǎn)(chǎn)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(zhuǎn)(zhuǎn)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(guò)導(dǎo)(dǎo)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(shù)(shù)

(1) 直流參數(shù)(shù)

指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS(off) 、增強(qiáng)(qiáng)型MOS管開啟電壓UGS(th)、耗盡型場(chǎng)(chǎng)效應(yīng)(yīng)三極管的飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)(shí)所對(duì)(duì)應(yīng)(yīng)的漏極電流)、輸入電阻RGS.

(2) 低頻跨導(dǎo)(dǎo)gm

gm可以在轉(zhuǎn)(zhuǎn)移特性曲線上求取，單位是mS(毫西門子)。

(3) 最大漏極電流IDM

聯(lián)(lián)系方式：鄒先生

聯(lián)(lián)系電話：0755-83888366-8022

手機(jī)(jī)：18123972950

QQ：2880195519

聯(lián)(lián)系地址：深圳市福田區(qū)(qū)車公廟天安數(shù)(shù)碼城天吉大廈CD座5C1

請(qǐng)(qǐng)搜微信公眾號(hào)(hào):“KIA半導(dǎo)(dǎo)體”或掃一掃下圖“關(guān)(guān)注”官方微信公眾號(hào)(hào)

請(qǐng)(qǐng)“關(guān)(guān)注”官方微信公眾號(hào)(hào):提供  MOS管  技術(shù)(shù)幫助