N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作區(qū)間及開通過程分析

N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，P型襯底上制作兩個(gè)高摻雜的N區(qū)，引出作為漏極D和源極S，襯底上再制作一塊絕緣層，絕緣層上在制作一層金屬電極，引出作為柵極G，即構(gòu)成了常見的N溝道增強(qiáng)型MOS管。一般而言，襯底B和S極會(huì)連在一起，當(dāng)在柵極處加正電壓時(shí)，靠近襯底的絕緣層會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，當(dāng)感應(yīng)電荷足夠多時(shí)，D和S之間形成導(dǎo)電溝道，只要DS之間有電壓，即可產(chǎn)生電流。另外，從結(jié)構(gòu)上看，襯底B和S以及D之間都有一個(gè)PN結(jié)，但是B和S連在一起，所以BS之間的PN結(jié)被短路，B(S)和D之間的PN結(jié)即是的MOS的寄生二極管。(本文參考的模電書為《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)》，高等教育出版社，童詩白，華成英主編)

圖1 N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖

1. MOS管工作區(qū)的劃分

圖2 MOS管輸出特性曲線

首先介紹一下模電書上對(duì)各工作區(qū)的介紹：

夾斷區(qū)：當(dāng)VGS < Vth時(shí)，MOS管導(dǎo)電溝道被夾斷不導(dǎo)通，此時(shí)ID≈0。

恒流區(qū)(飽和區(qū))：當(dāng)VDS > VGS-Vth(即VGD < Vth)時(shí)，MOS管進(jìn)入恒流區(qū)，在此工作區(qū)內(nèi)，VDS增大時(shí)，ID僅略微增大，因此可將ID看作是受VGS控制的電流源，當(dāng)MOS管做放大管使用時(shí)，工作在此區(qū)域

可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS< VGS-Vth(即VGD > Vth)時(shí),MOS工作在可變電阻區(qū)，在此區(qū)域中，可通過改變VGS的大小來改變MOS的導(dǎo)通電阻大小

關(guān)于MOS管的夾斷：當(dāng)VGS為一固定值時(shí)，若在DS之間加一正向電壓，則必將產(chǎn)生漏極電流，并且VDS的增大會(huì)使ID增大，溝道沿源漏方向變窄，并在VDS=VGS-Vth(即VGD=Vth)時(shí)，出現(xiàn)預(yù)夾斷，隨著VDS繼續(xù)增大，MOS將承擔(dān)管子的壓降，但漏極電流基本不變，管子進(jìn)入恒流區(qū)。

以上便是教材中對(duì)MOS工作區(qū)極夾斷現(xiàn)象的描述，由此，可以自然而然地提出以下問題：

1).夾斷區(qū)和MOS管的夾斷是一回事嗎?

實(shí)際不是，因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)電壓小于MOS的導(dǎo)通門限時(shí)，MOS管是沒有形成導(dǎo)電溝道的。而書中對(duì)MOS管的夾斷也明確寫出MOS管出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象時(shí)，管子工作在恒流區(qū)。為更好地區(qū)分這兩種工作狀態(tài)，在圖2中，我把這一區(qū)域稱為截止區(qū)。

2).為什么預(yù)夾斷電壓是VDS=VGS-Vth(即VGD=Vth)?

因?yàn)閂th是MOS管的導(dǎo)通電壓，這意味著在這個(gè)電壓下，導(dǎo)電溝道剛剛形成。當(dāng)漏極電壓升高到VGD=Vth時(shí)，說明導(dǎo)電溝道靠漏極一端的電壓降到了導(dǎo)通電壓，所以MOS管漏極出現(xiàn)夾斷。

3).夾斷時(shí)，MOS管為什么由電流通過?最大漏極電流為什么由VGS確定?

當(dāng)VDS大到一定程度，MOS管被完全夾斷，這其實(shí)是反型層的載流子在電場(chǎng)作用下迅速流動(dòng)的變現(xiàn)而非導(dǎo)電溝道消失。并且，VGS大小決定了反型層的厚度，即決定了載流子的多少。在這種情況下，VDS的越增加，導(dǎo)電溝道的夾斷區(qū)越長(zhǎng)，電阻越大，VDS主要用于克服導(dǎo)電溝道夾斷導(dǎo)致的電阻的上升對(duì)電流的影響，而VGS的增加則可拓寬導(dǎo)電溝道，所以此時(shí)的最大漏極電流由VGS確定。圖3摘錄了NDS351N
的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以看到，VGS一定時(shí)，導(dǎo)通電阻隨ID越增加而增加，這導(dǎo)致了VDS的上升，VGS越小，這一現(xiàn)象越明顯(越容易夾斷)。

圖3 MOS管器件手冊(cè)中ID-VDS和Ron-ID關(guān)系

總的來說，MOS做開關(guān)管使用時(shí)，其工作狀態(tài)在截止區(qū)和可變電阻區(qū)之間切換，做放大管使用時(shí)，工作在飽和區(qū)。現(xiàn)如今，大部分的文檔對(duì)MOS的工作狀態(tài)的描述都是假設(shè)VGS不變，讓VDS增加，描述這一過程中MOS管工作狀態(tài)的變化。但當(dāng)我重新回頭看這么一段描述，浮上我腦海中的最大疑問是：為什么VDS會(huì)增加?這是因?yàn)樵趯?shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，VDS是基本固定不變的，被操縱的一般是驅(qū)動(dòng)電壓VGS。而且在作者的工作中，接觸的都是工作在開關(guān)狀態(tài)下的MOS，其導(dǎo)通壓降很小，很難想象VDS逐步增大的場(chǎng)景，所以下文將從VDS固定不變，VGS壓逐漸變大的角度分析MOS的開通過程。

2. MOS管的開通過程

關(guān)于MOS管的開通過程，網(wǎng)絡(luò)上有許多文檔進(jìn)行分析，其來源應(yīng)為一篇帶感性負(fù)載的MOS管開通過程的分析，很多轉(zhuǎn)發(fā)該文章的網(wǎng)文卻常常忽略了這一點(diǎn)，把這個(gè)過程當(dāng)做了所有場(chǎng)景下MOS的開通過程。因此，在分析之前，先說明本文分析的前提：阻性負(fù)載下，VDS固定時(shí)，加驅(qū)動(dòng)電壓VGS的情況下，MOS管的導(dǎo)通過程分析。(注明：由于作者水平有限，本文的分析有些推論未查證到相關(guān)文獻(xiàn)，如有錯(cuò)誤，請(qǐng)指正。)

圖4 帶阻性負(fù)載的MOS管電路

帶阻性負(fù)載的MOS管電路模型如圖4所示，其在GS、GD、DS之間都有寄生電容，在DS之間還有一個(gè)寄生二極管。在t0時(shí)刻，MOS管柵極加驅(qū)動(dòng)電壓VGS,其值為MOS管完全導(dǎo)通所需要的驅(qū)動(dòng)電壓VGS(sat)，其開通過程中，VDS、VGS、ID的變化如圖5所示。分析如下：

圖5 MOS管開通過程

t0~t1：在此區(qū)間內(nèi)，VGS給Cgs充電，但由于Cgs兩端電壓尚未上升到MOS管的閾值電壓，所以MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)。另外，由于VDD一直存在，所以Cgd的電壓應(yīng)該是從-VGD逐漸上升的(D極電壓大于G極)。

t1~t2：t1時(shí)刻，Cgs兩端電壓大于MOS的導(dǎo)通壓，此時(shí)MOS管開始導(dǎo)通，漏極電流形成，Cgd通過MOS管開始放電，VDS也開始下降。這段時(shí)間里，VGD<0

MOS管處于夾斷狀態(tài)，工作在飽和區(qū)。

t2~t3：t2時(shí)刻，VDS兩端電壓下降到與VGS一致，此時(shí)VGD=0，MOS管進(jìn)入密勒平臺(tái)，柵極電流開始給Cgd充電，由于VGD開始上升，靠近漏極一側(cè)的導(dǎo)電溝道逐漸變寬，MOS管夾斷現(xiàn)象開始消失，導(dǎo)電溝道的擴(kuò)寬使得VDS迅速下降。到t3時(shí)刻，VGD=Vth，MOS管的VGD上升到預(yù)夾斷電壓上，此階段，MOS管依然工作在飽和區(qū)，而在密勒平臺(tái)，VGS基本不變，因此，ID無變化。

t3~t4：t3時(shí)刻后，由于VGD>Vth，MOS管進(jìn)入可變電阻區(qū)，在密勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間里，VDS的壓降會(huì)降至基本等于飽和導(dǎo)通壓降(否則柵極電流應(yīng)該還是大部分會(huì)給Cgd充電，Cgs電壓不會(huì)抬高)，此時(shí)VGS不變，VDS下降，MOS管工作在可變電阻區(qū)，那么按照MOS管的工作特性曲線，ID應(yīng)略有下降。

t4~t5：t4時(shí)刻，MOS管的密勒平臺(tái)結(jié)束，Cgs繼續(xù)充電至VGS(sat)，ID隨著VGS的增大而增大(導(dǎo)電溝道擴(kuò)寬使導(dǎo)通電阻變小，ID上升，前提是負(fù)載足夠重)，此時(shí)MOS管飽和導(dǎo)通，工作在可變電阻區(qū)。

后續(xù)，若負(fù)載繼續(xù)加重，使漏極電流繼續(xù)上升，則MOS管的電流將會(huì)飽和，MOS管進(jìn)入飽和區(qū)。