場效應(yīng)管原理、場效應(yīng)管的小信號模型及其參數(shù)

　　場效應(yīng)管是只有一種載流子參與導(dǎo)電，用輸入電壓控制輸出電流的半導(dǎo)體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結(jié)型場效應(yīng)三極管JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應(yīng)三極管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導(dǎo)體三極管MOSFET(Metal Oxide SemIConductor FET)。

　　MOS場效應(yīng)管

　　有增強(qiáng)型(Enhancement MOS 或EMOS)和耗盡型(Depletion)MOS或DMOS)兩大類，每一類有N溝道和P溝道兩種導(dǎo)電類型。場效應(yīng)管有三個電極：

　　D(Drain) 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極;

　　G(Gate) 稱為柵極，相當(dāng)于雙極型三極管的基極;

　　S(Source) 稱為源極，相當(dāng)于雙極型三極管的發(fā)射極。

　　增強(qiáng)型MOS(EMOS)場效應(yīng)管

　　道增強(qiáng)型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極，一個是漏極D，一個是源極S。在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極 G。P型半導(dǎo)體稱為襯底(substrat)，用符號B表示。

　　一、工作原理

　　1.溝道形成原理

　　當(dāng)Vgs=0 V時，漏源之間相當(dāng)兩個背靠背的二極管，在D、S之間加上電壓，不會在D、S間形成電流。

　　當(dāng)柵極加有電壓時，若0<VGS<VGS(TH)時(VGS(TH) 稱為開啟電壓)，通過柵極和襯底間的電容作用，將靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體中的空穴向下方排斥，出現(xiàn)了一薄層負(fù)離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運(yùn)動，但數(shù)量有限，不足以形成溝道，所以仍然不足以形成漏極電流ID。< p>

　　進(jìn)一步增加Vgs，當(dāng)Vgs>Vgs(th)時，由于此時的柵極電壓已經(jīng)比較強(qiáng)，在靠近柵極下方的P型半導(dǎo)體表層中聚集較多的電子，可以形成溝道，將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電 壓，就可以形成漏極電流ID。在柵極下方形成的導(dǎo)電溝道中的電子，因與P型半導(dǎo)體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層(inversion layer)。隨著Vgs的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。

　　在Vgs=0V時ID=0，只有當(dāng)Vgs>Vgs(th)后才會出現(xiàn)漏極電流，這種MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。

　　VGS對漏極電流的控制關(guān)系可用iD=f(vGS)|VDS=const這一曲線描述，稱為轉(zhuǎn)移特性曲線，見圖。 

　　轉(zhuǎn)移特性曲線斜率gm的大小反映了柵源電壓對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)。

　　跨導(dǎo)的定義式如下： gm=△ID/△VGS|

　　(單位mS)

　　2. Vds對溝道導(dǎo)電能力的控制

　　當(dāng)Vgs>Vgs(th)，且固定為某一值時，來分析漏源電壓Vds對漏極電流ID的影響。Vds的不同變化對溝道的影響如圖所示。

　　根據(jù)此圖可以有如下關(guān)系

　　VDS=VDG+VGS= —VGD+VGS

　　VGD=VGS—VDS

　　當(dāng)VDS為0或較小時，相當(dāng)VGD>VGS(th)，溝道呈斜線分布。在緊靠漏極處，溝道達(dá)到開啟的程度以上，漏源之間有電流通過。

　　當(dāng)VDS 增加到使VGD=VGS(th)時，相當(dāng)于VDS增加使漏極處溝道縮減到剛剛開啟的情況，稱為預(yù)夾斷，此時的漏極電流ID基本飽和。

　　當(dāng)VDS增加到 VGD<VGS(TH)時，預(yù)夾斷區(qū)域加長，伸向S極。 p VDS增加的部分基本降落在隨之加長的夾斷溝道上， ID基本趨于不變。<>

　　當(dāng)VGS>VGS(th)，且固定為某一值時，VDS對ID的影響，即iD=f(vDS)|VGS=const這一關(guān)系曲線如圖02.16所示。這一曲線稱為漏極輸出特性曲線。

　　二、伏安特性

　　1. 非飽和區(qū)

　　非飽和區(qū)(Nonsaturation Region)又稱可變電阻區(qū)，是溝道未被預(yù)夾斷的工作區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS

　　2.飽和區(qū)

　　飽和區(qū)(Saturation Region)又稱放大區(qū)，是溝道預(yù)夾斷后所對應(yīng)的工作區(qū)。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達(dá)式：

　　在這個工作區(qū)內(nèi)，ID受VGS控制?？紤]厄爾利效應(yīng)的ID表達(dá)式：

　　3.截止區(qū)和亞閾區(qū)

　　VGS<VGS(TH)，溝道未形成，ID=0。在VGS(TH)附近很小的區(qū)域叫亞閾區(qū)(SUBTHRESHOLD p Region)在這個區(qū)域內(nèi)，ID與VGS的關(guān)系為指數(shù)關(guān)系。<>

　　4.擊穿區(qū)

　　當(dāng)VDS 增大到足以使漏區(qū)與襯底間PN結(jié)引發(fā)雪崩擊穿時，ID迅速增加，管子進(jìn)入擊穿區(qū)。

　　三、P溝道EMOS場效應(yīng)管

　　在N型襯底中擴(kuò)散兩個P+區(qū)，分別做為漏區(qū)和源區(qū)，并在兩個P+之間的SiO2絕緣層上覆蓋柵極金屬層，就構(gòu)成了P溝道EMOS管。

　　耗盡型MOS(DMOS)場效應(yīng)管

　　N 溝道耗盡型MOSFET的結(jié)構(gòu)和符號如圖3-5所示，它是在柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子。所以當(dāng)VGS=0時，這些正離子已經(jīng)感應(yīng) 出反型層，形成了溝道。于是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當(dāng)VGS>0時，將使ID進(jìn)一步增加。VGS<0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減 小，直至ID=0。對應(yīng)ID=0的VGS稱為夾斷電壓，用符號VGS(off)表示，有時也用VP表示。N溝道耗盡型MOSFET的轉(zhuǎn)移特性曲線見圖所示。

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

　　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。