如何判斷MOS管的工作狀態(tài)

如何判斷mos管工作狀態(tài)

MOS管的工作狀態(tài)一共有兩種：增強(qiáng)型和耗盡型兩類又有N溝道和P溝道之分。

MOS管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對稱的。

如何判斷mos管工作狀態(tài)-N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管

1. VGS對ID及溝道的控制作用

① VGS=0 的情況

從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓VGS=0時，即使加上漏——源電壓VDS，而且不論VDS的極性如何，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒有導(dǎo)電溝道，所以這時漏極電流ID≈0。

② VGS>0 的情況

若VGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個電場。電場方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場。這個電場能排斥空穴而吸引電子。

排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。

2. 導(dǎo)電溝道的形成：

當(dāng)VGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時，漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。VGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)VGS達(dá)到某一數(shù)值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區(qū)相連通，在漏——源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。VGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。

開始形成溝道時的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。

上面討論的N溝道MOS管在VGS＜VT時，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)VGS≥VT時，才有溝道形成。這種必須在VGS≥VT時才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。溝道形成以后，在漏——源極間加上正向電壓VDS，就有漏極電流產(chǎn)生。

VDS對ID的影響

如圖(a)所示，當(dāng)VGS>VT且為一確定值時，漏——源電壓VDS對導(dǎo)電溝道及電流ID的影響與結(jié)型場效應(yīng)管相似。

漏極電流ID沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=VGS－VDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)VDS較?。╒DS）

隨著VDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)VDS增加到使VGD=VGS－VDS=VT(或VDS=VGS－VT)時，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大VDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由于VDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故ID幾乎不隨VDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，ID幾乎僅由VGS決定。


如何判斷mos管工作狀態(tài)-N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管

（1）結(jié)構(gòu)：N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。
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（2）區(qū)別：耗盡型MOS管在VGS=0時，漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在VGS≥VT時才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

（3）原因：制造N溝道耗盡型MOS管時，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使VGS=0時，在這些正離子產(chǎn)生的電場作用下，漏——源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓VDS，就有電流ID。
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如果加上正的VGS，柵極與N溝道間的電場將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，ID增大。反之VGS為負(fù)時，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，ID減小。當(dāng)VGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時，導(dǎo)電溝道消失，ID趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在VGS<0的情況下工作。而后者在VGS=0，VGS>0。

N溝道增強(qiáng)型MOS管MOS管曲線和電流方程

輸出特性曲線

N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結(jié)型場效應(yīng)管一樣,其輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)幾部分。轉(zhuǎn)移特性曲線

轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1(b)所示,由于場效應(yīng)管作放大器件使用時是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的,所以可用VDS大于某一數(shù)值(VDS＞VGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替飽和區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線.?ID與VGS的近似關(guān)系。

與結(jié)型場效應(yīng)管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),ID與VGS的近似關(guān)系式為:

P溝道耗盡型MOS管

P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導(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。

審核編輯：湯梓紅