三极管-场效应管的方式
三极管
三端器件 虽然只比二端多了一个端子 但是这个是个重大的突破 因为多了一端 就会我们利用一个端口的信号去控制另一个端口信号的可能 这样我们可以更加灵活的控制器件 让器件根据我们的要求工作
虽然目前最早出现的三端器件是晶体三极管 但目前应用最广的还是半导体器件是 场效应管中的MOS器件 由于它的制作工艺简单 为集成化生产提供了条件 其市场占有率高达90%以上 所以我们先学习MOS器件和应用
MOS管有4类 以NEMOSFET为例来介绍它的伏安特性
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在 P 型衬底上创建两个重
掺杂的 N 型区,分别称为源区和漏区(源区和漏区都是N型区)
在源区和漏区间的P型半导体表面上覆盖一层氧化层Si02 并在氧化层上沉积一层金属 形成栅极 另外P型衬底另一面也覆上了金属膜 引出电极--衬底极
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所以 MOSFET在物理结构上共引出4个端子:栅极G(grate),源极S(source),漏极D(drain),衬底极B(bottom) MOSFET本质是一个四端口器件
但是因为源区和漏区本质其实是没有区别的 源区和漏区也可以交换使用
漏区和源区将分别与衬底之间形成 PN 结。在
正常工作时,需要保证这两个 PN 结反偏,因此通常将源极与衬底极相连,并且
使之连接到电路的最低电位(对于 N 沟道器件来说),这种连接方式可保证两个
PN 结反偏,这也是 MOSFET 常见的工作状态。这样连接后,可认为衬底极对场
效应管的工作没有影响
MOSFET 作为三端口器件来使用,即栅极G、源极(最低电位)S和漏极D(drain)
3 个端口,但这样处理后源极和漏极就不能再互换使用
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由图我们可以知道 我们把源极作为参考节点 用两个电源vGS和vDS来控制器件工作
现在 我们要研究的是 端口电压跟电流的关系
因为栅极上有绝缘的氧化层 所以栅极上的电流iG是等于0的
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由KCL可以知道 如果这个电路上有电流通过 那么漏极电流iD与源极电流iS一定相等 因此我们放弃对vGS的端口的电压电流的观测 把关注点放到漏极电流iD上
由于iD和vGS和vDS都有关系 为了简化讨论 我们先假设vGS为一个正的常数 且电压常数比较高 那么器件中会有电流通过
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我们测试iD和vDS的关系 会得到这样的关系 这条曲线有一部分为横流的关系 即:当vGS足够大 且为一个定值的时候 vDS大于某个值 器件上通过的电流iD将处于一个恒定值 而与vDS变化无关
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此时这说明这个端口上的电流 与这个端口的电压是无关的 即:这个端口的电流不受这个端口的电压控制
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那么在这个恒流电流区域内 这个iD和什么因素有关呢?
为了研究 我们通过晶体管测试仪 同时改变vGS和vDS大小 得到 注意:vGS此时选取了一些离散值 观察
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我们发现NEMOSFET 只有在vGS,vDS都会正值时 才可能有电流通过 且当vGS大于某一刻定值时才有电流通过 无论VGS取什么数值 VDS总是会在它增大到某个数目后 进入恒流区 这个时候iD的电流大小只会与另一个另一个端口VGS有关 与自己这段的vDS无关
我们发现NEMOSFET 只有在vGS,vDS都会正值时 才可能有电流通过 且当vGS大于某一刻定值时才有电流通过 无论VGS取什么数值 VDS总是会在它增大到某个数目后 进入恒流区 这个时候iD的电流大小只会与另一个另一个端口VGS有关 与自己这段的vDS无关
这个受控作用 我们可以用它来做放大器的设计 把电流刚刚出现时 所对应的所需要vGS值 称为NEMOSFET的开启电压Vt 只有VGS大于它Vt电流才有可能出现 所以这个参数其实与二极管的正向导通电压相似 注意: 但是对于不同型号的MOS 这个值和它的工艺条件有关 且相差较大
Vt是指的是VGS的值
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根据这三个指标的变化 我们可以分为三个区域
1.截止区
vGS<Vt 此时vDS为任意值也无法改变状态 MOS相当于开路
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2.饱和区
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从图中可以看出电流的表达式中是没有VDS的,是一个定值
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3.变阻区
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为了方便说明 引入一个新的参数--“过驱动电压”它是指的VDS的值 不是VGS的 它是饱和区和变阻区的分界面
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在变阻区的 电流-电压表达式
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变阻区有个应用 就是可以用做阻值受控的线性电阻 这也是变阻区名字的由来,我们将伏安特性图的vDS取值缩小到mV 从图中可以看到 NEMOS表征为 一条直线
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电阻rDS就是电压除以电流
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沟道长度调制效应:
上面 我们看到了饱和区内iD的恒流特性 这种特性是用来做放大器的基础 但是随着vDS的逐渐增大 这种恒流特性是要打折扣的 也就是说在饱和区 iD还是会受vDS的影响
我们发现在饱和区 曲线是有上翘趋势的 我们把这种现象称为 沟道长度调制效应 简称沟长效应 后面我们会知道 这种效应在沟道长度L比较小的器件中 表现明显 而在L较大的器件中可以忽略不计
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当然我们这里画的比较夸张 还引入了一个厄尔利电压vA来描述这种影响的强度 因为我们发现将所有曲线延长 都会交于横轴上的同一个点 这个点的大小就是厄尔利电压 vA越大 上升越不明显 沟长效应越不明显 对于饱和区的正向受控有益处
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λ是沟道长度调制系数 它取决于MOS工艺参数 它非常小等于1/vA 一般器件手册上一般给出vA的数值 一般几十~几百
我们给出饱和电压区的修正方程
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没有特殊说明 我们在饱和区一般不会使用这个方程 而是直接用电路模型来描述参数的影响
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而我们还可以画出另外一种横纵坐标的饱和区曲线 坐标为iD-vGS 在这个转移特性曲线 我们可以清楚的看到开启电压的位置
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如果是P型的话
它的衬底是N型的 外电压引起导电沟道是P型 所以参与导电的载流子是空穴
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对于P型 通常把D漏极接地 是低电位 所以箭头应该是S到D的
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伏安特性
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耗尽型和增强型大体相同
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当然MOS的实现还有很多方法,比如CMOS或者其他等等
http://www.taodudu.cc/news/show-6697711.html
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