MOS管种类
MOS管从导电载流子来看,有N沟道的MOSFET和P沟道的MOSFET,常称为NMOS管和PMOS管。而按照导电沟道形成机理不同,它们又各自分为增强型E型和耗尽型D型两种。因此MOS管有四种:增强型PMOS管,增强型NMOS管,耗尽型PMOS管,耗尽型NMOS管。
MOS管结构和工作原理
NMOS管增强型结构
先看上面两张图,第一张是NMOS管的结构图,第二张是NMOS管的纵剖面图。看起来密密麻麻的字,很让人看的心烦。
从下往上讲,简单来说就是:
⑴衬底是参杂了P型硅半导体,然后在这个衬底的两端加入了两块N型半导体。
⑵中间这个沟道没有满足条件的时候是没有的(图一是满足了条件的时候,图二是没有满足条件的时候),先不要管他,后面会讲,你直接把他看成是P型衬底的一部分即可。
⑶在P型衬底上方增加了三块很薄的二氧化硅绝缘层(最两边两个白色部分,和标有tox的白色部分)。
⑷在最上面加上三个铝电极(最上面三个黑色的部分),用于导电。这三块铝电极分别称为栅极g(gate),源极s(source),漏极d(drain)。
因为我们形成的沟道是带负电的电子,所以我们将这个MOS管称之为NMOS管。
NMOS管增强型工作原理
阈值电压VTN和截止区
根据上面的结构图和纵剖面图我们知道,场效应其实就是两个方向相反的二极管的组合(如下图)。中间是P型半导体,两边是N型半导体,最后形成方向相反的两个二极管。
因为二极管具有单向导通的特性,所以现在我们在漏极d和源极s之间增加电压,无论电压方向如何都是不会有电流的。
于是我们尝试在栅极g处增加电压,电池正极接g,负极接衬底和s极,衬底和s极作为零电势点。(如下图)
⑴因为电池的负极接衬底,衬底又是P型半导体,里面具有大量的空穴会吸引电子,所以现在P型半导体中有一定量的电子。⑵又因为栅极g连接了正极,而栅极g和P型半导体之间的绝缘层很薄,可以产生一个的电场,这个时候P型半导体中的自由电子就会逐渐聚集在两个N型半导体中间,当电压越多,聚集在两个N型半导体中间的自由电子越多。⑶当电子超过一定数量的时候,N沟道就形成了,而这个时候的电压,我们称为VTN。
现在我们知道沟道形成需要Vgs≥VTN,而Vgs<VTN无沟道产生。沟道的作用就是连接左右两个N型半导体的通道,如果沟道没有,那么就不会有电流产生(相当于两个反向的二极管),这个时候我们称为截止区。如果产生了沟道,那么就相当于两个N型半导体中间的空穴被挤下去了,这个时候两个方向相反的二极管被一个电阻所取代。(这个电阻的阻值由Vgs决定)。
可变电阻区
当我们固定Vgs(Vgs≥VTN),可以知道,Vds越小,iD肯定越大。这个时候我们把Vds除以iD的值称为沟道电阻。但是当我们固定Vds,改变Vgs的时候,因为产生的沟道厚度不同,电阻率也不同,于是沟道电阻也会改变,于是我们把这个区域称为可变电阻区。
恒流区形成
当我们固定Vgs的时候,随着Vds从0逐渐增大,iD会随之快速上升。⑴但是我们知道,Vds和Vgs是公用同一个s点的,所以说。⑵当Vds不断增大的时候,而Vgs是个固定值,那么Vgd就会不断减小。⑶当Vgd减小到VTN的时候,此刻漏极处会产生一个夹断点。当Vds继续增大,Vgd也会继续减小,那么夹断点会变成夹断层。(如下图)
那么有人会有疑惑了,都夹断了,怎么还会有电流呢?因为Vgs电压是固定的,当Vdd增大的时候,Vdg会增大(Vgd减小,Vgd=-Vdg)。这个Vdg的电压会降落在夹断区,这个时候在夹断区的水平方向会产生一个从漏极d到源极s的电场,促进沟道中的自由电子穿过夹断区漂移到漏极区,形成漏电流。
最后的结果就是,当的时候,此时电流稳定不变。
I-V特性曲线及特性方程
在可变电阻区,科学家发现了这个公式:i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]
在原点附近,因为非常的小,所以可以忽略的影响,那么上面这个公式可以近似的看成
因为恒流区的电流都一样,所以恒流区的电流就是时刻的电流。在恒流区的公式如下:i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})^{2}-(V_{GS}-V_{TN})^{2}] =K_{n}(V_{GS}-V_{TV})^{2}i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})^{2}-(V_{GS}-V_{TN})^{2}] =K_{n}(V_{GS}-V_{TV})^{2}
下图为增强型NMOS管输出特性曲线,我们能够看到很多条线,这些线表示不同值的情况下,固定改变的输出曲线。 注意:当选取好了之后,在这个图中就是定值了。也就是其中的一条轨迹线。
因为在恒流区与几乎无关,转移特性近似一条直线。所以我们可以做出恒流区,因为改变导致的改变图形。根据上图,在固定为5V的区域做出ABCD四个点。根据这个四个点画出下图
总结
综上所述,我们可以得出
⑴Vgs<VTN,iD=0,此时为截止区。
⑵Vds<Vgs-VTN和Vgs≥VTN,此时为可变电阻区。i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]
在原点附近,
⑶Vds≥Vgs-VTN和Vgs≥VTN,此时为恒流区。
NMOS耗尽型
与NMOS增强型区别
N 沟道耗尽型MOS管和增强型MOS管区别在于,耗尽型MOS管的栅极g下面的这个绝缘层已经注入了大量的正离子,这样导致耗尽型MOS一开始就有沟道。
N沟道耗尽型MOS管的特性几乎和增强型MOS管一样,也是Vgs≥VTN形成沟道,只不过这个VTN是个负数。
I-V特性曲线及特性方程
N沟道耗尽型MOS管的可变电阻区和恒流区条件与增强型MOS管一样:
⑴Vgs<VTN,iD=0,此时为截止区。
⑵Vds<Vgs-VTN和Vgs≥VTN,此时为可变电阻区。i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]
在原点附近,
⑶Vds≥Vgs-VTN和Vgs≥VTN,此时为恒流区。
耗尽型NMOS管的恒流区转移特性曲线,就是增强型NMOS管向左移。
总结
总结一句话,耗尽型MOS管与增强型MOS管的唯一区别在于耗尽型MOS管的VTN是个负数,他的沟道在不加Vgs的时候就已经形成了。
PMOS增强型
与NMOS增强型区别
PMOS增强型MOS管(右侧为PMOS)与NMOS增强型的MOS管(左侧为NMOS)区别在于,PMOS管的衬底是N型半导体,沟道为带正电的空穴。
P沟道增强型MOS管的特性几乎和P沟道增强型MOS管完全相反。
PMOS管产生沟道的条件为Vgs≤VTP(注意,这里是VTP不是VTN,但是都表示阈值电压)。
I-V特性曲线及特性方程
⑴VGS>VTPVGS>VTP,iD=0,此时为截止区。
⑵VDS>VGS−VTPVDS>VGS−VTP和VGS≤VTPVGS≤VTP,此时为可变电阻区。i_{D}=-K_{p}[2(V_{GS}-V_{TP})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]i_{D}=-K_{p}[2(V_{GS}-V_{TP})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]
在原点附近,
⑶VDS≤VGS−VTPVDS≤VGS−VTP和VGS≤VTPVGS≤VTP,此时为恒流区。
以下分别为输出特性曲线(固定改变,图a)和转移特性曲线(固定改变,图b)
PMOS耗尽型
与PMOS增强型区别
与增强型NMOS与耗尽型NMOS管的区别一摸一样,也是在栅极下方的二氧化硅多加了正电荷,从一开始就有沟道。输出特性曲线一模一样(固定改变),就是耗尽型PMOS的可以整数,增强型PMOS不可以。
下图为耗尽型PMOS转移特性曲线 (固定改变)
MOS管符号
一般来说我们都是要根据符号判断什么类型的MOS管,其实就两点。
增强型和耗尽型区分
第一,衬底部分是否为虚线,虚线表示增强型MOS管( 如果没有电压,不导通的,图c),实线表示耗尽型MOS管(即使没有电压,也是导通的,图b)
PMOS和NMOS区分
第二,衬底箭头指向,如果是指向栅极g的方向表示NMOS管(图c),如果指向远离栅极g的方向表示PMOS管(图a)。
g,s,d如何区分
(1)首先中间这个是栅极g,这个不需要讲。
(2)我们看栅极这个长边指向那个方向,如果是指向下面,那么下面这个就是源极s,如果指向上面,那么上面那个就是源极。
(3)当栅极g,源极s都确定的时候。另外一个没有确定的就是漏极d。