MOS场效应管原理
2010-02-25 18:05:54 阅读48 评论0 字号：大中小
场效应管是另一种半导体器件，工作原理与三极管有很大区别。场效应管是电压控制电流的器件，工作时不从前级电路取电流，因此，场效应管电路的输入电阻高。另外，场效应管的制作工艺简单，功率损耗小，在集成电路中有广泛应用。场效应管容易受静电击穿而损坏，使用时要注意保护。
场效应管有两种：一种称为结型场效应管；另一种是绝缘栅型场效应管，又称MOS管。下面分别简要介绍它们的结构和工作原理。
1.6.1 三极管的电路模型
1．工作原理
根据导电沟道的不同，结场效应管分成N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管，下面仅以N沟道结型场效应管为例说明其工作原理。场效应管是一种载流子导电，这是与三极管的根本区别，有时将三极管称为双极型晶体管。
（1）N沟道场结型效应管的结构和工作原理如下图所示，在一块N型半导体上分别制作出两个P型区，分别引出电极。三个电极分别称为栅极（G）、源极（S）和漏极（D）。
在两种半导体的交界面处会形成PN结，PN结的耗尽区内没有载流子。使用时D-S间加正电压，G-S间加负电压。对于一定的uGS值，uDS的存在使得耗尽区的形状上下不对称，上部较宽而下部较窄。但是只要较宽的部分没有相接触，从D到S之间就有导电沟道存在，从D到S相当于有一个非线性电阻。
当uDS增加到一定值时，上部两边的PN结相互接触，称为予夹断。予夹断后D-S间的电流由下部没有夹断部分导电沟道的载流子形成，基本不随uDS的增加而增加，呈现恒流特性，参考图1-34。此恒流电流受uGS值控制，uGS反向电压uGS越小，iD越大。
如果栅极反向电压增大，两边耗尽区的接触部分增加，当uGS达到一定值时，两边的PN结全部交叠，导电沟道被全部夹断，iD＝0，相当于三极管的截止。如图1-35所示。
.6.1 三极管的电路模型
（2）P沟道场结型效应管的结构
P沟道场结型效应管的结构与N沟道结型场效应管的结构类似，但导电沟道是P型半导体，两侧是N型半导体。其结构和符号见图1-36。
使用时G-S间加正电压，D-S间加负电压，因此iD＜0。其工作原理与N沟道结型场效应管相同，这里不再赘述。
2．特性曲线
（1） 转移特性曲线
三极管是电流控制电流的器件，通过它的输入特性和输出特性来描述它的性能。而场效应管是电压控制电流的器件，由于栅极没有输入电流，讨论其输入特性就没有意义了。这里用转移特性来描述管子的输入和输出之间的控制关系，所谓转移特性，是指在一定的漏极电压uDS的情况下，栅极电压uGS对漏极电流iD的控制特性。图1-37是N沟道结型场效应管的转移特性曲线。
图1-37中，对应于iD＝0的电压VP称为夹断电压；当uDS＝0时的漏极电流称为饱和漏极电流IDSS，当栅极电压从0～VP间变化时可以控制电流iD。当uDS变化时，转移特性移动，形成一簇曲线，但是当uDS达到一定值后（比如5V），特性曲线基本重合。在电路中uDS一般会大于这个值，这是可以认为特性曲线重合成一条曲线，可以简化分析。
为了说明栅-源电压对漏极电流的控制能力，定义跨导gm：
（1-21）
（2） 输出特性曲线
场效应管的输出特性是指在栅极电压一定的情况下，漏极电流iD与漏-源电压uDS之间的关系，如图1-38所示
场效应管的输出特性曲线也分成三个区：恒流区、夹断区和可变电阻区。当导电沟道予夹断后，呈现恒流特性，处于恒流区。当栅极电压达到一定的值时，导电沟道被两边的空间电荷区夹断，漏极电流很小，处于夹断区。当栅源电压很小，两边的空间电荷区没有接触时，处于可变电阻区。放大电路中的场效应管应该处于恒流区，只有处于恒流区，栅极电压才对漏极电流有控制作用。
1.6.2 绝缘栅型场效应管
1．增强型 N沟道MOS场效应管
结型场效应管虽然输入电阻很高，但是在有些应用场合下还不够高。在温度较高时，栅源电阻会明显减小。在栅源间的PN结正偏时会出现很大的栅极电流。另外其制作工艺较复杂，大规模集成较困难。绝缘栅型场效应管很好地解决了上述问题。二者导电机理不同，结型场效应管利用控制导电沟道的宽窄来控制电流；而绝缘栅型场效应管利用感应出的电荷多少来控制电流。绝缘栅型场效应管分N沟道和P沟道两种，我们以N沟道绝缘栅型场效应管来介绍其工作原理，其结构如图1-39。从结构图中可以看出，它主要由金属、氧化物和半导体组成，所以也称为MOS管。图1-40是PMOS的结构和符号。由于此结构中没有予埋导电沟道，称为增强型NMOS和增强型PMOS。
如果栅极电压较小，D-S间没有载流子，D-S间相当于两个背对背的PN结，不能导通。如果栅极加正电压，在电场的作用下栅极的下部就会感应出负电荷，形成N型导电沟道，如图1-41所示
此时如果uDS增加，就会形成电流iD。由于iD在沟道中产生压降，使导电沟道中栅极正电荷的作用自左至右逐渐减弱，导电沟道逐渐变窄，但是只要导电沟道没有夹断，D-S间就相当于非线性电阻。
S达到一定值时出现予夹断，如图1-42所示，予夹断后iD呈现恒流特性。
2．耗尽型 MOS场效应管
耗尽型MOS管与增强型MOS管不同的是予埋了导电沟道，为了使栅极电压uGS能够控制漏极电流iD，应该在NMOS管的栅极加负电压，消耗导电电荷，使导电沟道予夹断。耗尽型MOS管的符号见图1-45，其转移特性见图1-46。
图1-43和图1-输出特性，转移特性曲线上UGS(th)是形成导电沟道所需要的栅44是NMOS管的转移
特性和极电压，称为阈值电压。 3．场效应管的等效电路 场效应管是电压控制电流的器件，其栅-源间的电阻很大，栅极基本不从输入电路取电流。从输入看，是一个电压控制的电流源。当场效应管处于恒流区时，漏极电流的变化量与栅极电压的变化量成正比，因此在小信号情况下，其微变等效电路如图1-47所示。
