1. 金屬- 氧化物- 半導體（MOS ）場效應三極管

場效應管是一種具有放大作用的元件,它是構成放大電路的基本器件,並且是一種三段器件,所以有時候也稱爲場效應三極管

在一塊摻雜濃度較低的P型半導體基片上的兩個區域摻入高濃度的五價雜質元素,形成兩個雜質濃度很高的N型區域,然後再在P型硅表面生成一層很薄的二氧化硅絕緣層,再在中間二氧化硅以及兩個N型區上面分別安置三個鋁電極,它們稱爲柵極、源極和漏極,常用字母g、s和d表示:

柵極和其他源極包括襯底都是絕緣的,所以常稱柵極爲絕緣柵極

漏極與源極之間需要通過柵極絕緣層之下稱爲溝道的區域導電,這個溝道的幾何尺寸(長度L和寬度W)都是影響場效應管導電特性的重要參數,它們一般在微米數量級,並且寬度尺寸通常大於長度尺寸

這種方式構成的場效應管稱爲金屬-氧化物-半導體（MOS ）場效應三極管

爲了便於分析,常常採用場效應管的縱向剖面圖:

實際上,襯底也會引出一個電極:

兩個N型區與P型襯底之間一定會形成兩個PN結,在柵極無任何電壓時,無論漏極和源極之間加什麼極性的電壓,兩個PN結總有一個是處於反向偏置的,漏、源極之間都是無法導通的

這樣的場效應管稱爲增強型場效應管

符號除了表示場效應管之外,還必須描述兩個信息:

一個是增強型還是耗盡。漏極與源極之間的斷線表示柵極未加適當電壓時,漏極與源極之間的導通溝道是斷開的
第二個是N溝道還是P溝道。箭頭方向與PN結正向導通方向一致,就是由P指向N,這個箭頭是由襯底指向溝道,表示這是N溝道場效應管

MOSFET管工作原理

N 溝道增強型MOSFET

柵源電壓對溝道的控制作用

如何讓漏極和源極之間出現導電溝道是要解決的第一個問題

實際上,溝道的產生,取決於柵極的電壓。最常用的一種工作方式就是襯底和源極並接在一起。另外,爲了考察柵極電壓單獨作用的情況,這裏也先把漏極和源極短接在一起,然後在柵極和源極之間加一個正電壓 $V_{GG}$ ,也就是柵源電壓 $V_{GS}$ 等於 $V_{GG}$ :

顯然,這個電壓也是加在柵極和襯底之間的電壓。由於絕緣層的存在,這個電壓會在珊極和襯底之間形成一個電場,當 $V_{GS}$ 電壓還比較小的時候,不會對器件產生比較明顯的影響,漏極與源極之間仍然沒有導電溝道。逐漸增大柵源電壓,電場也逐漸增強,當 $V_{GS}$ 電壓增大到一定程度時,在電場力作用下,半導體中會出現明顯的變化:

P型區靠近絕緣層下方的多數載流子空穴將被排斥,遠離絕緣層;而少數載流子自由電子被吸引到絕緣層下,同時兩個N型區的多數載流子也被吸引到柵極區域絕緣層下,這樣,在電子層下方,由於缺少載流子而形成耗盡區:

而緊靠絕緣層下方累積出了電子層,因爲電子是帶負電荷的載流子,所以是N型層:

相對於P型襯底,它也被稱爲反型層,這個反型層實際上就是漏極和源極之間的導通通道,他將漏極和源極之間聯通了,導電溝道是在電場作用下形成的,所以也稱爲感生溝道:

場效應管也因此而得名,電場的強弱受柵極電壓 $V_{GS}$ 控制,只有在柵源電壓超過某個固定電壓時,纔會感生出導電溝道,這個電壓稱爲N溝道增強型MOS管的開啓電壓用 $V_{NT}$ 表示,它與MOS管的製造工藝有關

當柵源電壓增大時,電場增強,導電溝道變厚,溝道的等效電阻減小;反之電場減弱,溝道變厚,等效電阻增大。這種關係反映了柵源電壓對溝道的控制作用。

漏源電壓對溝道的控制作用

假設柵源電壓已經使漏源之間產生了導電溝道,也就是已經有了 $V_{GS}$ 大於 $V_{TN}$ 在漏極和源極之間加入電壓 $V_{DD}$ ,就是漏源電壓 $V_{DS}$ 等於 $V_{DD}$ :

當 $V_{DS}$ 從零逐漸開始增大時,便開始有迴路電流 $I_D$ 流過導電溝道。由於溝道存在電阻,迴路電流在溝道長度方向上的不同位置產生的壓降不同,所以溝道從源極到漏極有一定的電位梯度,也就是從源極到漏極,電位逐漸增高,但是柵極電位沿溝道長度方向是相同的,導致柵極與溝道之間的壓差出現變化,靠近塌極附近的壓差減小,相應的電場強度減弱,溝道變薄:

而靠近源極附近的壓差不變,溝道厚度也不變,這時溝道呈楔形分佈

當 $V_{DS}$ 繼續增大時,靠近漏極的電位繼續升高,漏極附近柵極與溝道之間壓差也繼續減小,這裏的溝道變得更薄,溝道傾斜程度加大:

在這個變化過程中,雖然溝道電阻略有增加,但總體上,漏極電流還是隨漏源電壓的增動而快速增大,它們的關係表現爲:

漏極電流 $I_D$ 隨漏源電壓 $V_{DS}$ 快速增大,由於溝道電阻略有增加,所以這個關係並不完全是一條直線,而是會略微向水平方向彎曲

當 $V_{DS}$ 電壓增加到使柵漏電壓 $V_{GD}$ 減小到等於開啓電壓 $V_{TN}$ 時,緊靠漏極附近的電場,就會減弱到使這裏的反型層消失,溝道出現預夾斷:

這時曲線開始轉向水平方向:

如果繼續增大 $V_{DS}$ ,溝道的電位梯度會繼續增大,靠近漏極附近的電場也會繼續減小夾斷點就會向左移動,夾斷區域會向源極方向延伸,溝道電阻也隨之明顯增大:

因爲漏極電流 $I_D$ 等於漏源電壓除以溝道電阻,而漏源電壓增大時引起溝道電阻增大,所以漏極電流基本不變,這是也稱漏極電流趨於飽和:

給這張圖做上標註:

給定一個 $V_{GS}$ ，就有一條不同的 $i_D – v_{DS}$ 曲線:

綜上所述:

N 溝道耗盡型MOSFET

與增強型的符號相比,它的符號僅在於表示溝道的豎線是連通的:

由於電導溝道已經存在,所以當在柵源之間加正向電壓時,柵極和襯底之間形成的電場與絕緣層中正離子的電場方向一致,電場增強,溝道將變得更厚,而在柵源之間加負電壓時,所形成的電場與絕緣層中正離子的電場方向相反,電場減弱,溝道變得更薄。由此可見,可以在正或負的柵源電壓下工作，而且基本上無柵流

MOSFET的特性曲線及特性方程

輸出特性及大信號特性方程

截止區
當 $V_{GS}＜V_{TN}$ 時，導電溝道尚未形成， $i_D ＝0$ ，爲截止工作狀態。
可變電阻區
當 $V_{GS}>V_{TN}$ 且 $V_{DS}<V_{GS}-V_{TN}$ 時,這一區域可以用特徵方程
$i_D=K_n[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-V^2_{DS}]$ 表示

由於 $v_{DS}$ 較小，可近似爲:
飽和區(恆流區或放大區)