mos管的轉(zhuǎn)移特性曲線分析-簡介
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, 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)钠珘海墒箿系赖碾娮柙龃蠡驕p小。這樣的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱為P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱為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,稱為轉(zhuǎn)移特性曲線,MOS管工作原理動(dòng)畫見下圖。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也稱為跨導(dǎo)。
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2—54(a)為N溝道增強(qiáng)型MOS管工作原理動(dòng)畫圖,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)效應(yīng)管。MOS管工作原理動(dòng)畫圖2—54(a)中的L為溝道長度,W為溝道寬度。
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D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道,所以無論漏、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,稱為“反型層”,MOS管工作原理動(dòng)畫圖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。把開始形成導(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)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?。豢拷磪^(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)一端的溝道越來越薄。
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,把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”,MOS管工作原理動(dòng)畫圖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。
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。
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。
主要參數(shù)
(1) 直流參數(shù)
指耗盡型MOS夾斷電壓UGS=UGS(off) 、增強(qiáng)型MOS管開啟電壓UGS(th)、耗盡型場(chǎng)效應(yīng)三極管的飽和漏極電流IDSS(UGS=0時(shí)所對(duì)應(yīng)的漏極電流)、輸入電阻RGS.
(2) 低頻跨導(dǎo)gm
gm可以在轉(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
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