金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）
- FET有两种主要类型：金属-氧化物-半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）和结型场效应管（Junction Field Effect Transistor，JFET）
- 按照基本结构分：MOSFET和JFET
- MOSFET中，从导电载流子的带电极性来看，有N（电子型）沟道和P（空穴型）沟道MOSFET；按照导电沟道形成机理不同，NMOS和PMOS各有增强型（简称E型）和耗尽型（简称D型）两种。
- 四种MOSFET：E型NMOS管、D型NMOS管、E型PMOS管、D型PMOS管。
- 场效应管是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体器件。
- 特点：体积小、重量轻、耗电小、寿命长；输入阻抗高、噪声低、抗辐射能力强、制造工艺简单等
- MOSFET在大规模和超大规模集成电路中占有重要地位。
N沟道增强型MOSFET
结构及电路符号
- 以一块掺杂浓度较低、电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底，利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区。然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在其表面及N+区的表面上分别安置三个铝电极—栅极g（gate）、源极s（source）、漏极d（drain）。
- 结构简图
- 符号
- 说明：由于栅极与源极、漏极均无电接触，故称绝缘栅极。因此，MOSFET也成为绝缘栅型场效应管。 上图表示N沟道增强型MOSFET，箭头方向表示由P（衬底）指向N（沟道），图中垂直短画线表示沟道，短画线表明在未加适当栅极电压之前漏极和源极之间无导电沟道。
- 如果衬底B单独，那么d、s可以互换，电气对称的。一般使用时都会把与衬底B连接的极为s极。
工作原理
- vGS=0，没有导电沟道
- 栅源短接（即栅源电压vGS=0）时，源区（N+型）、衬底（P型）和漏区（N+型）就形成了两个背靠背的PN结二极管。
- 无论vDS是何极性，中有一个PN结是反偏的，也就是d、s之间没有形成导电沟道，所以iD=0。
- 栅源短接（即栅源电压vGS=0）时，源区（N+型）、衬底（P型）和漏区（N+型）就形成了两个背靠背的PN结二极管。
- vGS≥VTN（VGS(th)）时，出现N型沟道
- 这里很好解释哦，如图，加上vGS，栅极（铝层）和P型硅片相当于以二氧化硅为介质的平板电容器，在正的栅源电压作用下，介质中变产生了一个垂直于半导体表面的由栅极指向P型衬底的电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅源电压也能产生高达105~106 V/cm数量级的强电场），但不会产生ic。
- 这个电场排斥空穴而吸引电子，所以，使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的（受主离子）负离子，形成耗尽层，同时P型衬底中的少子（电子）被吸引到栅极下的衬底表面。
- 当正的栅源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的P型硅表面形成了一个N型薄层，电子反型层，也就构成了源、漏两极之间的N型导电沟道。
- 增强型FET：由于一开始没有导电沟道，必须依靠栅源电压的作用，才能产生感生沟道的FET。
- 一旦出现感生沟道，原来被隔开的两个N+区就被感生沟道连通了。此时只要由vDS，就会有iD产生。把在漏源电压作用下开始导电时的栅源电压vGS称为开启电压VTN，有的书也称为VGS(th)。
- 做个比喻：这像不像牛郎织女见面的鹊桥。
- 当vDS较小时，iD相对于vDS的特性曲线，近似看称直线：
- 可变电阻区和饱和区
- 如图所示，当vGS>VGS(th)时，外加较小的vDS时，漏源极电流iD随着vDS的上升迅速增大，反映在输出特性曲线的OA段，斜率较大。随着vDS上升，由于沟道存在电位梯度，从源极到漏极的电位逐渐升高，而栅极电位沿着沟道长度方向是相同的，因此沟道厚度不均匀：靠近源端厚，靠近漏端薄，类似楔形。最左边的靠近N+区域电压为vGS，最右边靠近靠近N+区域电压为vGS-vDS。场效应管完全导通时其G极电压就比D极电压高。
- 当vDS增大到一定数值，靠近漏端反型层消失，vDS继续增加，将形成一夹断区（反型层消失后的耗尽区），夹断点向源极方向移动。
- 虽然沟道夹断，但是由于夹断区长度比沟道长度短得多，而夹断处电场强度很高，仍能将电子拉过夹断区（耗尽层）形成漏极电流。
- vDS继续增加时，vDS增加的部分主要降落在夹断区，导电沟道上面的电压基本不变。（你可以想象成一个电阻与一个和稳压管串联，vDS升高的电压作用在其中一个电阻上，稳压管上压降基本不变。）iD趋于饱和。从而进入过饱和区。
- 进入饱和区那点的夹断称为预夹断，此时电压：
v
G
S
−
v
D
S
=
V
G
S
(
t
h
)
v_{GS}-v_{DS}=V_{GS(th)}
vGS−vDS=VGS(th)这是可变电阻区和饱和区的分界点，称为临界点。
- 如图所示，当vGS>VGS(th)时，外加较小的vDS时，漏源极电流iD随着vDS的上升迅速增大，反映在输出特性曲线的OA段，斜率较大。随着vDS上升，由于沟道存在电位梯度，从源极到漏极的电位逐渐升高，而栅极电位沿着沟道长度方向是相同的，因此沟道厚度不均匀：靠近源端厚，靠近漏端薄，类似楔形。最左边的靠近N+区域电压为vGS，最右边靠近靠近N+区域电压为vGS-vDS。场效应管完全导通时其G极电压就比D极电压高。
I-V特性曲线
-
转移特性
-
FET是电压控制器件，除了用输出特性及一些参数来描述其性能外，由于栅极输入端基本上没有电流，故不能像讨论三极管那样讨论输入特性曲线，没有意义。
-
转移特性：指的是在漏源电压vDS一定的条件下，栅极电压vGS对漏极电流iD的控制特性，即： i D = f ( v G S ) ∣ v D S = 常 数 i_{D}=f(v_{GS})\mid _{v_{DS}=常数} iD=f(vGS)∣vDS=常数
-
转移特性曲线描述的是iD与vGS一一对应的关系，它是有条件的：从恒流区（饱和区）得来的，因为饱和区内iD已经不随vDS变化了。
-
饱和区内（转移特性）的I-V特性表达式： i D = I D O ( v G S V G S ( t h ) − 1 ) 2 i_{D}=I_{DO}(\frac{v_{GS}}{V_{GS(th)}}-1)^{2} iD=IDO(VGS(th)vGS−1)2
-
输出特性及特性方程
-
MOSFET的输出特性是指在栅源电压vGS一定的情况下，漏极电流iD与漏源电压vDS之间的关系，即： i D = f ( v D S ) ∣ v D S = 常 数 i_{D}=f(v_{DS})\mid{_{v_{DS}=常数}} iD=f(vDS)∣vDS=常数
-
截止区
- 当vGS<VGS(th)时，导电沟道尚未形成，iD=0，为截止工作状态。
-
可变电阻区
- 在可变电阻区内 v G S > V G S ( t h ) ， 且 v D S ≤ ( v G S − V G S ( t h ) ) v_{GS}>V_{GS(th)}，且v_{DS}≤(v_{GS}-V_{GS(th)}) vGS>VGS(th)，且vDS≤(vGS−VGS(th))
- 其I-V特性近似表示为： i D = K n [ 2 ( v G S − V G S ( t h ) ) − v D S 2 ] i_{D}=K_{n}[2(v_{GS}-V_{GS(th)})-v_{DS}^{2}] iD=Kn[2(vGS−VGS(th))−vDS2]其中 K n = K n ′ 2 ∗ W L = μ n C o x 2 ( W L ) K_{n}=\frac{K_{n}^{'}}{2}*\frac{W}{L}=\frac{\mu _{n}C_{ox}}{2}(\frac{W}{L}) Kn=2Kn′∗LW=2μnCox(LW)本征导电因子（通常情况下为常量） K n ′ = μ n C o x K^{'}_{n}=\mu _{n}C_{ox} Kn′=μnCoxμn是反型层中电子迁移率，Cox为栅极（与衬底间）氧化层单位面积电容，电导常数Kn的单位是mA/V2。
- 在特性曲线原点附近，因为vDS很小，可以忽略，所以： i D ≈ 2 K n ( v G S − V G S ( t h ) ) v D S i_{D}\approx 2K_{n}(v_{GS}-V_{GS(th)})v_{DS} iD≈2Kn(vGS−VGS(th))vDS由此可以求出当vGS一定时，在可变电阻区内，原点附近的输出电阻rdso为： r d s o = d v D S d i D ∣ v G S = 常 数 = 1 2 K n ( v G S − V G S ( t h ) ) r_{dso}=\frac{\mathrm{d} v_{DS}}{\mathrm{d} i_{D}}\mid{_{v_{GS}=常数}}=\frac{1}{2K_{n}(v_{GS}-V_{GS(th)})} rdso=diDdvDS∣vGS=常数=2Kn(vGS−VGS(th))1这表明，rdso是一个受vGS控制的可变电阻。
- 饱和区（恒流区又称放大区）
- 当vGS≥VGS(th)，且vDS≥(vGS-VGS(th))时，MOSFET已进入饱和区。在饱和区内，可近似看成iD不随vDS变化。因此，将预夹断临界条件vDS=vGS-VGS(th)带入上式，得到I-V特性表达式： i D = K n ( v G S − V G S ( t h ) ) 2 = K n V G S ( t h ) 2 ( v G S V G S ( t h ) − 1 ) 2 = I D O ( v G S V G S ( t h ) − 1 ) 2 i_{D}=K_{n}(v_{GS}-V_{GS(th)})^{2}=K_{n}V_{GS(th)}^{2}(\frac{v_{GS}}{V_{GS(th)}}-1)^{2}=I_{DO}(\frac{v_{GS}}{V_{GS(th)}}-1)^{2} iD=Kn(vGS−VGS(th))2=KnVGS(th)2(VGS(th)vGS−1)2=IDO(VGS(th)vGS−1)2
- 其中： I D O = K n V G S ( t h ) 2 I_{DO}=K_{n}V_{GS(th)}^{2} IDO=KnVGS(th)2它是vGS=2VGS(th)时的iD。
N沟道耗尽型场效应管
结构与电路符号
- 前面我们了解了N沟道增强型mos管的概念，因为天生没有沟道，需要外加电压产生沟道才能导通，那么有没有一种mos管天生带有沟道呢？
- 当然是有的，我们在制造mos管时，在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，在vGS=0时，因为在正离子的作用下，能在源区（N+层）和漏极（N+层）的中间P型衬底上感应出较多的负电荷，形成N沟道，将源极和漏极连通。跟增强型MOS管外加vGS起到同样的作用。
- 此时栅源电压为0，在正的VDS作用下，也会有较大的漏源电流iD从漏极流向源极。
工作原理简述
- 前面提到，栅源电压为0，在正的VDS作用下，也会有较大的漏源电流iD从漏极流向源极。
- 当vGS>0，由于绝缘层的存在，并不会产生栅极电流iG，而是在沟道中感应出更多负电荷，使沟道变宽。在同样vDS的作用下，iD将具有更大的数值。
- 当vGS<0，则沟道中感应的负电荷（电子）减小，沟道变窄，从而使漏极电流减小。当vGS达到负电压的某一个值时，感应的负电荷（电子）消失，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断。这是不会有漏极电流iD。这时的栅源电压称为夹断电压（截止电压）VPN（VGS(off)）。
I-V特性曲线
- 转移特性曲线（因为输入只有电压没有电流，所以没有跟三极管那样的输入特性曲线，以转移特性来描述输入输出关系）
- 输出特性曲线
- MOS管的工作区域同样可以分为截止区、可变电阻区、饱和区。不同的是N沟道增强型MOS管的VGS(th)是正值，而N沟道耗尽型MOS管的VGS(off)是负值。
- 电流方程，在饱和区内，当vGS=0，vDS≥(vGS-VGS(off))时（即进入预夹断后），可得： i D ≈ K n V G S ( o f f ) 2 = I D S S i_{D}\approx K_{n}V^{2}_{GS(off)}=I_{DSS} iD≈KnVGS(off)2=IDSS IDSS为零栅压的漏极电流，称为饱和漏极电流。可以得到饱和区中iD的近似表达式： i D ≈ I D S S ( 1 − v G S V G S ( o f f ) ) 2 i_{D}\approx I_{DSS}(1-\frac{v_{GS}}{V_{GS(off)}})^{2} iD≈IDSS(1−VGS(off)vGS)2
N型MOS管的主要参数
直流参数
- 开启电压VGS(th)（VTN）
- VGS(th)（VTN）是增强型MOS管的参数。当vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一微小电流（如50μA）时，栅源间的电压为VGS(th)。测量方式如下：
- VGS(th)（VTN）是增强型MOS管的参数。当vDS为某一固定值（例如10V），使iD等于一微小电流（如50μA）时，栅源间的电压为VGS(th)。测量方式如下：
- 夹断电压VGS(off)（VPN）
- VGS(off)（VPN）是耗尽型FET的参数。通常令vDS某一固定值（例如10V），使iD等于一微小电流（如20μA）时，栅源之间所加的电压称为夹断电压VGS(off)。测量方法如下：
- VGS(off)（VPN）是耗尽型FET的参数。通常令vDS某一固定值（例如10V），使iD等于一微小电流（如20μA）时，栅源之间所加的电压称为夹断电压VGS(off)。测量方法如下：
- 饱和漏极电流IDSS
- IDSS是耗尽型FET的参数。当vGS=0时，当|vDS|>|VGS(off)|时的漏极电流称为饱和漏极电流IDSS。通常令|vDS|=10V，vGS=0V时测出的iD就是IDSS。在转移特性曲线上，vGS=0时就是漏极电流。测量电路如下：
- IDSS是耗尽型FET的参数。当vGS=0时，当|vDS|>|VGS(off)|时的漏极电流称为饱和漏极电流IDSS。通常令|vDS|=10V，vGS=0V时测出的iD就是IDSS。在转移特性曲线上，vGS=0时就是漏极电流。测量电路如下：
- 直流输入电阻RGS
- 在漏源之间短路的条件下，栅源之间加一定电压时的栅源直流电阻就是直流输入电阻RGS。MOS管的RGS可达109~1015Ω。
交流参数
- 输出电阻rds r d s = ∂ v D S ∂ i D ∣ V G S r_{ds}=\frac{\partial v_{DS}}{\partial i_{D}}\mid _{V_{GS}} rds=∂iD∂vDS∣VGS输出电阻说明了vDS对iD的影响，是输出特性曲线某一点上切线斜率的倒数。当不考虑沟道调制效应时，在饱和区输出特性曲线的斜率为零，即rds → ∞。
- 低频互导gm
- 在vDS等于常数时，漏极电流的微变量和引起这一变化的栅源电压的微变量之比称为互导，即 g m = ∂ i D ∂ v G S ∣ V D S g_{m}=\frac{\partial i_{D}}{\partial v_{GS}}\mid _{V_{DS}} gm=∂vGS∂iD∣VDS 互导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，它相当于转移特性上工作点的斜率。
极限参数
- 最大漏极电流IDM
- IDM是管子正常工作时漏极电流允许的上限值。
- 最大耗散功率PDM
- FET的耗散功率等于vDS和iD的乘积，这些耗散在FET中的功率将变为热能，使管子的温度升高。
- 对于确定型号的FET，PDM是一个确定值，可以在FET的输出特性曲线上画出允许的最大功率损耗线，如下图
- FET的PDM、IDM和V(BR)DS同时满足器件的允许值，管子的工作才是安全的。
- 最大漏源电压V(BR)DS
- V(BR)DS是指发生雪崩击穿、iD开始急剧上升时的vDS值。
- 最大栅源电压V(BR)GS
- V(BR)GS是指栅源间反向电流开始急剧增加时的vGS值。
P沟道MOSFET
- 与N型MOS管相似，P型MOS管也有增强型和耗尽型两种。电路符号如下：
- 为了能正常工作，PMOS管外加的vDS必须是负值，开启电压VTP也是负值。实际的电流方向为流出漏极。
P沟道增强型MOS管
- 转移特性曲线
- 输出特性曲线
几种FET管子总结
饱和区（放大区）外加电压极性
- VDS极性取决于沟道类型
- N沟道：VDS>0；
- P沟道：VDS<0；
- VGS极性取决于工作方式及沟道类型
- 增强型MOS：VGS与VDS极性相同；
- 耗尽型MOS：VGS可跨越正负；
- 结型FET管：VGS与VDS极性相反；
饱和区数学模型
- MOSFET： I D ≈ μ C o x W 2 l ( V G S − V G S ( t h ) ) 2 = I D O ( v G S V G S ( t h ) − 1 ) 2 I_{D}\approx \frac{\mu C_{ox}W}{2l}(V_{GS}-V_{GS(th)})^{2}=I_{DO}(\frac{v_{GS}}{V_{GS(th)}}-1)^{2} ID≈2lμCoxW(VGS−VGS(th))2=IDO(VGS(th)vGS−1)2
- JFET： I D ≈ I D S S ( 1 − V G S V G S ( t h ) ) 2 I_{D}\approx I_{DSS}(1-\frac{V_{GS}}{V_{GS(th)}})^{2} ID≈IDSS(1−VGS(th)VGS)2