模拟电路网络课件 第十九节:金属-氧化物-半导体场效应管
模拟电路网络课件 第十九节:金属-氧化物-半导体场效应管
4.3 金属-氧化物-半导体场效应管
结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109w，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是pn结的反偏电阻，在高温条件下工作时，pn结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（mosfet）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（sio2）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015w。它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。
mos管也有n沟道和p沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型mos管在栅-源电压vgs=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压vds（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（id=0）。而耗尽型mos管在vgs=0时，漏-源极间就有导电沟道存在。
4.3.1 n沟道增强型场效应管
一、结构
a) n沟道增强型mos管结构示意图
(b) n沟道增强型mos管代表符号 (c) p沟道增强型mos管代表符号
在一块掺杂浓度较低的p型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的n+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(sio2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。另外在衬底上也引出一个电极b，这就构成了一个n沟道增强型mos管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。图 1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由p(衬底)指向n(沟道)。p沟道增强型mos管的箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示。
二、工作原理
1．vgs对id及沟道的控制作用
mos管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。从图1(a)可以看出，增强型mos管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的pn结。当栅-源电压vgs=0时，即使加上漏-源电压vds，而且不论vds的极性如何，总有一个pn结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流id≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即vgs＞0，则栅极和衬底之间的sio2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的p型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时p衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。当vgs数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vgs增加时，吸引到p衬底表面层的电子就增多，当vgs达到某一数值时，这些电子在栅极附近的p衬底表面便形成一个n型薄层，且与两个n+区相连通，在漏-源极间形成n型导电沟道，其导电类型与p衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vgs越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到p衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用vt表示。
由上述分析可知，n沟道增强型mos管在vgs＜vt时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vgs≥vt时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压vds，才有漏极电流产生。而且vgs增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，id增大。这种必须在vgs≥vt时才能形成导电沟道的mos管称为增强型mos管。
2．vds对id的影响
图1
如图2(a)所示，当vgs>vt且为一确定值时，漏-源电压vds对导电沟道及电流id的影响与结型场效应管相似。漏极电流id沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为vgd=vgs - vds，因而这里沟道最薄。但当vds较小（vds
随着vds的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vds增加到使vgd=vgs-vds=vt(或vds=vgs-vt)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vds，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vds的增加部分几乎全部降落在夹断区，故id几乎不随vds增大而增加，管子进入饱和区，id几乎仅由vgs决定。
三、特性曲线、电流方程及参数
1．特性曲线和电流方程
图1
n沟道增强型mos管的输出特性曲线如图1(a)所示。与结型场效应管一样,其输出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。转移特性曲线如图1(b)所示,由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(恒流区),此时id几乎不随vds而变化,即不同的vds所对应的转移特性曲线几乎是重合的,所以可用vds大于某一数值(vds＞vgs-vt)后的一条转移特性曲线代替饱和区的所有转移特性曲线,与结型场效应管相类似。在饱和区内,id与vgs的近似关系式为
( vgs＞vt )
式中ido是vgs=2vt时的漏极电流id。
2. 参数
mos管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型mos管中不用夹断电压vp，而用开启电压vt表征管子的特性。
4.3.2 n沟道耗尽型场效应管
图1
表 1 结构种类 工作方式 符 号 电压极性 转移特性
id = f (vgs) 输出特性
id = f (vds)
vp或vt vds
n沟道
mosfet 耗
尽
型 (-) (+)
增
强
型 (+) (+)
p沟道
mosfet 耗
尽
型 (+) (-)
增
强
型 (-) (-)
p沟道
jfet 耗
尽
型 (+) (-)
n沟道
jfet 耗
尽
型 (-) (+)
p沟道
gaas
mesfet 耗
尽
型 (-) (+)
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a) n沟道增强型mos管结构示意图
(b) n沟道增强型mos管代表符号 (c) p沟道增强型mos管代表符号
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n沟道
mosfet 耗
尽
型 (-) (+)
增
强
型 (+) (+)
p沟道
mosfet 耗
尽
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p沟道
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尽
型 (+) (-)
n沟道
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尽
型 (-) (+)
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