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(chǎng)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(duì)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(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

 

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

1. V_GS對(duì)I_D及溝道的控制作用

① V_GS=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(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓V_GS=0時(shí)，即使加上漏——源電壓V_DS，而且不論V_DS的極性如何，總有一個(gè)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(shí)漏極電流I_D≈0。

② V_GS>0 的情況

若V_GS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)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(dòng)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)V_GS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏——源極之間仍無導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。V_GS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)V_GS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)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。V_GS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)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(shí)的柵——源極電壓稱為開啟電壓，用V_T表示。

上面討論的N溝道MOS管在V_GS＜V_T時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)V_GS≥V_T時(shí)，才有溝道形成。這種必須在V_GS≥V_T時(shí)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V_DS，就有漏極電流產(chǎn)生。
 

V_DS對(duì)I_D的影響

如圖(a)所示，當(dāng)V_GS>V_T且為一確定值時(shí)，漏——源電壓V_DS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流I_D的影響與結(jié)型場(chǎng)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(diǎn)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V_GD=V_GS－V_DS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)V_DS較?。╒_DS）

隨著V_DS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當(dāng)V_DS增加到使V_GD=V_GS－V_DS=V_T(或V_DS=V_GS－V_T)時(shí)，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V_DS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，如圖2(c)所示。由于V_DS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故I_D幾乎不隨V_DS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，I_D幾乎僅由V_GS決定。


如何判斷mos管工作狀態(tài)-N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)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。
 

（2）區(qū)別：耗盡型MOS管在V_GS=0時(shí)，漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在V_GS≥V_T時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。

（3）原因：制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，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(shí)摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使V_GS=0時(shí)，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)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V_DS，就有電流I_D。
 

如果加上正的V_GS，柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，I_D增大。反之V_GS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，I_D減小。當(dāng)V_GS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，I_D趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)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V_GS<0的情況下工作。而后者在V_GS=0，V_GS>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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管作放大器件使用時(shí)是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時(shí)iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的,所以可用V_DS大于某一數(shù)值(V_DS＞V_GS-V_T)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.?I_D與V_GS的近似關(guān)系。

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

式中IDO是V_GS=2V_T時(shí)的漏極電流I_D

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。