场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数

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场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。有N沟道器件和P沟道器件。有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。

MOS场效应管
    有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。场效应管有三个电极：
D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；
G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；
S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。

 

增强型MOS(EMOS)场效应管
    道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极 G。P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。

一、工作原理

1．沟道形成原理
当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。

当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。

进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。随着Vgs的继续增加，ID将不断增加。

在Vgs=0V时ID=0，只有当Vgs＞Vgs(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。

VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。

转移特性曲线斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。
跨导的定义式如下：

g_m=△I_D/△V_GS|

(单位mS)

2． Vds对沟道导电能力的控制
当Vgs＞Vgs(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压Vds对漏极电流ID的影响。Vds的不同变化对沟道的影响如图所示。

根据此图可以有如下关系
VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGS
VGD=VGS—VDS

当VDS为0或较小时，相当VGD＞VGS(th)，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。
当VDS 增加到使VGD=VGS(th)时，相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流ID基本饱和。
当VDS增加到 VGD<VGS(th)时，预夹断区域加长，伸向S极。 VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上， ID基本趋于不变。

当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即iD=f(vDS)|VGS=const这一关系曲线如图02.16所示。这一曲线称为漏极输出特性曲线。

二、伏安特性

1． 非饱和区
非饱和区（Nonsaturation Region）又称可变电阻区，是沟道未被预夹断的工作区。由不等式VGS>VGS(th)、VDS<VGS-VGS(th)限定。理论证明，ID与VGS和VDS的关系如下：


2．饱和区
饱和区(Saturation Region)又称放大区，是沟道预夹断后所对应的工作区。由不等式VGS>VGS(th)、VDS>VGS-VGS(th) 限定。漏极电流表达式：

在这个工作区内，ID受VGS控制。考虑厄尔利效应的ID表达式：

3．截止区和亚阈区
VGS<VGS(th)，沟道未形成，ID=0。在VGS(th)附近很小的区域叫亚阈区（Subthreshold Region）在这个区域内，ID与VGS的关系为指数关系。

4．击穿区
当VDS 增大到足以使漏区与衬底间PN结引发雪崩击穿时，ID迅速增加，管子进入击穿区。


四、P沟道EMOS场效应管
在N型衬底中扩散两个P+区，分别做为漏区和源区，并在两个P+之间的SiO2绝缘层上覆盖栅极金属层，就构成了P沟道EMOS管。


耗尽型MOS（DMOS）场效应管
N 沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图3-5所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应 出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减 小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线见图所 示。

 

N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。