場效應管原理、場效應管的小信號模型及其參數

　　場效應管是只有一種載流子參與導電，用輸入電壓控制輸出電流的半導體器件。有N溝道器件和P溝道器件。有結型場效應三極體JFET(Junction Field Effect Transister)和絕緣柵型場效應三極體IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也稱金屬-氧化物-半導體三極體MOSFET(Metal Oxide SemIConductor FET)。

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　　MOS場效應管

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

　　D(Drain) 稱為漏極，相當雙極型三極體的集電極;

　　G(Gate) 稱為柵極，相當於雙極型三極體的基極;

　　S(Source) 稱為源極，相當於雙極型三極體的發射極。

　　增強型MOS(EMOS)場效應管

　　道增強型MOSFET基本上是一種左右對稱的拓撲結構，它是在P型半導體上生成一層SiO2 薄膜絕緣層，然後用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區，從N型區引出電極，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Vgs=0 V時，漏源之間相當兩個背靠背的二極體，在D、S之間加上電壓，不會在D、S間形成電流。

　　當柵極加有電壓時，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型半導體中的空穴向下方排斥，出現了一薄層負離子的耗盡層。耗盡層中的少子將向表層運動，但數量有限，不足以形成溝道，所以仍然不足以形成漏極電流ID。< p>

　　進一步增加Vgs，當Vgs>Vgs(th)時，由於此時的柵極電壓已經比較強，在靠近柵極下方的P型半導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電溝道中的電子，因與P型半導體的載流子空穴極性相反，故稱為反型層(inversion layer)。隨著Vgs的繼續增加，ID將不斷增加。

　　在Vgs=0V時ID=0，只有當Vgs>Vgs(th)後才會出現漏極電流，這種MOS管稱為增強型MOS管。

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

　　轉移特性曲線斜率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。

　　跨導的定義式如下： gm=△ID/△VGS|

　　(單位mS)

　　2. Vds對溝道導電能力的控制

　　當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。

　　根據此圖可以有如下關係

　　VDS=VDG+VGS= —VGD+VGS

　　VGD=VGS—VDS

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

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

　　當VDS增加到 VGD<VGS(TH)時，預夾斷區域加長，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基本趨於不變。<>

　　當VGS>VGS(th)，且固定為某一值時，VDS對ID的影響，即iD=f(vDS)|VGS=const這一關係曲線如圖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

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

　　2.飽和區

　　飽和區(Saturation Region)又稱放大區，是溝道預夾斷後所對應的工作區。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏極電流表達式：

　　在這個工作區內，ID受VGS控制。考慮厄爾利效應的ID表達式：

　　3.截止區和亞閾區

　　VGS<VGS(TH)，溝道未形成，ID=0。在VGS(TH)附近很小的區域叫亞閾區(SUBTHRESHOLD p Region)在這個區域內，ID與VGS的關係為指數關係。<>

　　4.擊穿區

　　當VDS 增大到足以使漏區與襯底間PN結引發雪崩擊穿時，ID迅速增加，管子進入擊穿區。

　　三、P溝道EMOS場效應管

　　在N型襯底中擴散兩個P+區，分別做為漏區和源區，並在兩個P+之間的SiO2絕緣層上覆蓋柵極金屬層，就構成了P溝道EMOS管。

　　耗盡型MOS(DMOS)場效應管

　　N 溝道耗盡型MOSFET的結構和符號如圖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VGS=0時，這些正離子已經感應 出反型層，形成了溝道。於是，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在。當VGS>0時，將使ID進一步增加。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的轉移特性曲線見圖所示。

　　N溝道耗盡型MOSFET的結構和轉移特性曲線

　　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。這如同雙極型三極體有NPN型和PNP型一樣。