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信息來源： 時間：2020-12-9
MOS場效應管的特性曲線及三個工作區詳解
以n溝道增強型MOS管為例進行討論。MOS場效應管在應用中有多種連接方式，最常用的是共源連接方式，如圖1.1-7所示。圖中源極與襯底相連接，信號由柵極G輸入，經MOS場效應管放大后由漏極D輸出。當GS電壓VGS變化時，n溝增強型MOS場效應管的輸出特性曲線如圖1.1-8b所示。其轉移特性曲線如圖1.1-8b所示，它反映了漏源電流ID與柵偏壓VGS的關系。圖中VT稱為閾值電壓，它表征MOS場效應管由截止過渡到導通的臨界工作點。只有當柵偏壓高于VT時，MOS場效應管才能導通。
1.1-8a中的輸出特性曲線可以由圖中的虛線劃分為三個工作區，即可調電阻區（I）、飽和區（Ⅱ）和雷崩區（Ⅲ），下面對各區域的主要特性分別作一簡要說明。這里假設源極與襯底相連。
1、可調電阻區（也稱線性區）
在此區域中，ID隨VDs的變化而近似于線性變化，所以，也稱其為線性區。由半導體表面的基礎知識可知，若p型襯底的摻雜濃度一定時，當VGS>VT，則在柵氧化層的表面會出現n型反型層，即形成源區與漏區之間場感應的導電溝道，如圖1.1-9a所示，但是，若此時漏源電壓為零，則溝道內各處電位相同，故不能形成漏源電流，即ID為零。MOS場效應管的特性曲線。當VDS>0時，在溝道區中將產生橫向電位梯度，因此漏源之間形成電流。而且當VDS增加時，橫向電位梯度增加，電流ID也隨之增加，ID與VDS呈線性變化，此時源區與漏區之間感應出的溝道就相當于一個線性電阻。對應于不同的VGS，溝道電阻值也將發生變化，例如，當VGS增加時，溝道厚度增加，故溝道電阻將減小。
此外，當VDS>0時，由于溝道中存在橫向電位梯度，在溝道區靠近源極處的縱向電場強度較大，而靠近漏極處的電場強度較小，這就導致由源極到漏極的溝道厚度逐漸變薄，將使溝道電阻明顯增加，故此時ID隨VGS的增加速度變得緩慢了，從而出現了可調電阻區中的彎曲部分。
當VDS繼續增加到VDS-VT時，柵極與漏極之間的電壓恰好等于開啟電壓VT，故靠近漏極端的硅表面反型層消失，只剩下耗盡區，即此處溝道厚度為零（漏極處的溝道開始夾斷），如圖1.1-9b所示。這種情況對應于輸出特性曲線中可調電阻區與飽和區的交界處。此后漏極電流開始飽和。
2、飽和區
在飽和區域內，ID幾乎不隨VDS而變，故稱為漏極電流飽和區。當VDS>VT-VT時，漏極與柵極之間的電壓小于VT，溝道厚度為零的區域略為擴大，即夾斷點向源極處靠近，如圖1.1-9c所示。MOS場效應管的特性曲線。此時當VT增加時，其增加的電壓基本上加在溝道厚度為零的耗盡區上。由于溝道兩端電壓基本不變，因而，當VDS增加時，漏極電流不再隨之增加而達到飽和值，當然，若VGS增加時，由于溝道電阻減小，故其飽和電流值也相應增加，飽和區是MOS場效應管的主要工作區。
3、雪崩區
如果VDS大于某一擊穿電壓BVDS，漏極與襯底之間的Pn結發生反向擊穿，ID將急劇增加，特性曲線進入雪崩區（Ⅲ）。此時漏極電流不經過溝道區，而直接由漏極流入襯底。在電路設計時，應避免MOS場效應管工作在雪崩區。
通常n溝增強型MOS場效應管的輸出特性曲線可以分為四個區城（見圖1.1-10a）。
（1）截止區：
。
（2）線性區（可調電阻區）：
，
，ID與VDS近似呈線性關系，此時MOS管的漏源兩端相當于一個線性電阻，其電阻大小受
控制，
越大其電阻值越小。
（3）飽和區：
，
，此時隨著VDS的增加，ID變化很小，而ID的大小主要由
電壓值來決定，
越大ID也越大。
（4）雪崩區：
，此時，ID隨VDS的增加而迅速增大。
n溝耗盡型MOS場效應管與n溝增強型MOS場效應管的主要區別在于，前者的p型襯底的摻雜濃度較低，故當
為零時，柵下的硅表面已形成反型層，即已形成溝道，故只要加上一定的漏源電壓就能形成相當大的漏極電流，只有在柵極上加一個較大的負電壓，才能使柵下的表面由反型轉變為耗盡，此時n溝道消失，漏極電流變為零。使漏極電流為零時的柵源電壓就稱為n溝耗盡型MOS場效應管的夾斷電壓（用
或
表示），n溝耗盡型MOS場效應管的特性曲線如圖1.1-10b所示，其形狀與增強型的完全類似。耗盡型場效應管中
時的飽和電流記為IDSS，常稱為漏源飽和電流。
為了便于比較，圖1.1-10c和d中分別示出p溝增強型和耗盡型MOS場效應管的特性曲線P溝MOS場效應管的輸出特性曲線與n溝的相似。只是在正常運用時，P溝器件的電壓極性以及漏極電流的方向與n溝器件相反。
以上定性討論了MOS場效應管的工作原理，以下將定量計算MOS場效應管的閾值電壓，并且列出VT和ID與VDS，VGS的關系式。
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