耗尽型mos管(耗尽型mos应用)

绝缘FET的栅极和源极、栅极和漏极都被SiO2绝缘层隔离，因此得名。因为栅极是铝的，所以也叫MOS管。其栅源间的电阻远大于结型场效应晶体管，可达1010ω以上，因其温度稳定性更好，集成时温度更简单，广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。

与结型场效应晶体管类似，MOS晶体管也有两种，分别是N沟道和P沟道，但每一种又分为增强型和耗尽型。因此，四种类型的MOS晶体管是N沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道增强型和P沟道耗尽型。所有栅源电压UGS为零时漏电流为零的管都属于增强型管，所有栅源电压UGS为零时漏电流为零的管都属于耗尽型管。

根据导通模式的不同，MOSFET分为增强型和耗尽型。所谓增强模式，就是当VGS=0时，管被关断，加上正确的VGS后，大部分载流子被吸引到栅极，从而“增强”这个区域的载流子，形成导电沟道。

基本上N沟道增强型MOSFET是对称拓扑，在P型半导体上形成SiO2薄膜绝缘层，然后通过光刻扩散两个高掺杂N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极s，在源漏之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极g。

当VGS=0 V时，漏极和源极之间有两个背靠背的二极管。在D和S之间施加电压不会在D和S之间形成电流。

当在栅极上施加电压时，如果0 < vgs < vgs (th)，则栅极附近的P型半导体中的多空穴空会被栅极与衬底之间形成的电容电场向下排斥，出现负离子的薄耗尽层。同时会吸引少数载流子向表面移动，但数量有限，不足以形成导电沟道，沟通漏极和源极，所以仍然不足以形成漏极电流ID。

进一步增加VGS，当vgs >: At VGS(th) (VGS(th)称为导通电压)时，由于此时的栅极电压已经比较强，更多的电子聚集在靠近栅极底部的P型半导体表层，可以形成一个沟道来连通漏极和源极。如果此时施加漏极-源极电压，可以形成漏极电流ID。在栅极下形成的导电沟道中的电子被称为反型层，因为它们具有与P型半导体的载流子空空穴相反的极性。随着VGS的不断增加，ID也将不断增加。VGS=0V时ID=0，只有当VGS >:VGS(th)后漏极电流才会出现，所以这种MOS晶体管叫增强型MOS晶体管。

VGS和漏极电流之间的控制关系可以用曲线iD=f(VGS(th))|VDS=const来描述，这就是所谓的转移特性曲线。MOS管工作原理的动画如图1所示。

转移曲线的斜率gm反映了栅源电压对漏电流的控制作用。gm的量纲是mA/V，所以gm也叫跨导。跨导。

图一。传递特性曲线

MOS管工作原理动画2-54 (a)是N沟道增强型MOS管的工作原理动画，其电路符号如图2-54 (b)所示。该方法以低掺杂浓度的P型硅片为衬底，通过扩散工艺在衬底上扩散出两个高掺杂浓度的N型区(用N+表示)，从N型区引出两个欧姆接触电极，分别称为源电极(用S表示)和漏电极(用D表示)。在源区和漏区之间的衬底表面覆盖二氧化硅(SiO2)绝缘层，在绝缘层上沉积金属铝层，引出电极作为栅极(用G表示)。从衬底引出的欧姆接触电极称为衬底电极(用B表示)。因为栅极与其他电极绝缘，所以称为绝缘栅FET。MOS管的工作原理如图2-54 (a)所示。l是沟道长度，W是沟道宽度。

图2-54

对于图2-54所示的MOSFET，当栅极G和源极S之间没有施加电压，即UGS=0时，由于漏极和源极N+区之间有一个P型衬底，相当于两个背靠背的PN结，它们之间的电阻高达1012W，即D和S之间没有导电沟道，因此漏极和源极之间没有施加任何极性的电压。

当衬底B与源极S短接，在栅极G和源极S之间加正电压(UGS﹥0)时，MOS管的工作原理如图2-55 (a)所示，在栅极和衬底之间产生一个从栅极到衬底的电场。在这个电场的作用下，P衬底表面附近的空空穴会被排斥，会向下移动。电子将在电场的吸引下移动到衬底表面，并与衬底表面的空空穴复合，形成耗尽层。如果进一步提高UGS电压，当UGS达到一定电压UT时，P衬底表层的所有空空穴将被排斥耗尽，大量自由电子被吸引到表层，由量变到质变，使表层成为自由电子众多的N型层，称为“反型层”。MOS管的工作原理如图2-55 (b)所示。反型层连接漏极D和源极S的两个N+区域，在漏极和源极之间形成N型导电沟道。开始形成导电沟道所需的UGS值被称为阈值电压或导通电压，用UT表示。显然，只有在UGS UT时才存在沟道，并且UGS越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电性越强。所以才叫增强版。

在UGS UT的条件下，如果在漏极D和源极S之间施加正电压UDS，电流将在导电沟道中流动。漏极电流从漏极区流向源极区。由于沟道具有一定的电阻，电压沿沟道下降，使得沟道各点的电位沿沟道从漏区到源区逐渐降低。漏区一端附近的电压UGD最小，为UGD=UGS-UDS，对应的沟道最薄。源区附近的电压最大，等于UGS，对应的沟道最厚。因此，通道的厚度不再均匀，并且整个通道是倾斜的。随着UDS的增加，漏极一端附近的沟道越来越薄。

当UDS增大到某一临界值，使得UGD≤UT时，漏沟道消失，只剩下耗尽层。这种情况称为通道的“预夹断”。MOS管的工作原理如图2-56 (a)所示。继续增加UDS(即UDS >: UGS-UT)，夹点向源移动，MOS管工作原理如图2-56 (b)所示。虽然夹点在移动，但沟道区(从源极S到夹点)的电压降保持不变，仍然等于UGS-UT。因此，UDS [UDS-(UGS-UT)]的过剩电压全部下降到夹断区，在夹断区形成强电场。此时，电子沿着沟道从源极流向夹断区。当电子到达夹断区边缘时，由于夹断区的强电场，它们将迅速漂移到漏极。

疲惫型。类型耗尽是指当VGS=0时形成沟道，当加入正确的VGS时，多数载流子可以流出沟道，从而“耗尽”载流子，使电子管截止。

在耗尽型MOSFET的制造过程中，预先在二氧化硅绝缘层中掺杂了大量的正离子。因此，当UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“诱导”出足够多的电子，形成N型导电沟道。

当uds >: 0时，将产生更大的漏极电流ID。如果UGS : 0时，ID将进一步增加。VGS&lt0时，漏极电流随着VGS的减小而逐渐减小，直到ID=0。对应于ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的传输特性曲线如图1所示。(二)。

图一。N沟道耗尽型MOSFET的结构和传输特性曲线

因为当uGS=0时，耗尽型MOSFET的漏源之间的沟道已经存在，只要加上uDS，就会有iD环流。如果增加正向栅极电压uGS，栅极和衬底之间的电场将在沟道中感应更多的电子，使沟道更厚，并增加沟道的电导率。

如果在栅极上施加负电压(即UGS < 0=)，相应的衬底表面会感应出正电荷，这些正电荷会抵消N沟道中的电子，从而在衬底表面产生耗尽层，使沟道变窄，降低沟道电导。当负栅极电压增加到某个电压Up时，耗尽区扩展到整个沟道，沟道被完全夹断(耗尽)。此时，即使uDS仍然存在，也不会产生漏电流，即iD=0。UP称为夹断电压或阈值电压，其值通常在–1V到10V之间。N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线和转移特性曲线分别如图2-60 (a)和(b)所示。

在可变电阻区域中，iD与uDS和uGS之间的关系仍然是

在恒流区，iD和uGS之间的关系仍然满足公式(2—81)，即

考虑到uDS的影响，iD可以近似为

对于耗尽型FET，公式(2-84)也可以表示为

其中，IDSS称为uGS=0时的饱和漏电流，其值为

P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只是导电载流子不同，供电电压极性不同。就像双极晶体管有NPN型和PNP型一样。

3个主要参数

(1) DC参数

指夹断电压UGS=UGS(off)、增强型MOS晶体管的导通电压UGS(th)、耗尽型FET的饱和漏极电流IDSS(UGS = 0对应的漏极电流)、输入电阻RGS。

(2)低频跨导gm

可以在传递特性曲线上计算Gm，单位为mS(毫西门子)。

(3)最大漏极电流IDM