2。金属氧化物半导体FET（MOSFET）

金属氧化物半导体FET（MOSFET）

金属氧化物半导体FET（MOSFET）是四端子器件。终端是 源（S），门（G） 和 排水管（D）。该基板 or 身体形成第四个终端。 MOSFET的栅极端子与沟道绝缘，并带有二氧化硅电介质。 MOSFET可以是消耗 or 增强模式。我们很快就会定义这两个术语。

图1 - n沟道耗尽MOSFET

由于SiO，MOSFET有时被称为IGFET（绝缘栅场效应晶体管）₂ 用作栅极和衬底之间的绝缘体的层。我们开始使用耗尽型MOSFET进行分析。正如BJT可以 NPN or PNP，MOSFET也可以 n- 通道（NMOS）或 p-channel（PMOS）。图1说明了物理结构和符号 n - 通道耗尽MOSFET。请注意，基板连接到源端子。这几乎总是如此。

耗尽MOSFET由a构成的通道插在排水管和水源之间。结果，当一个电压， v_DS，在漏极和源极之间施加电流， i_D, 即使栅极端子G保持未连接，也存在漏极和源极之间（v_GS = 0 V）。

建设 n通道耗尽MOSFET开始于 p掺杂硅。该 n掺杂的源极和漏极阱在端部之间形成低阻抗连接 n-channel，如图1所示。沉积薄的二氧化硅层，覆盖源极和漏极之间的区域。 SiO₂ 是绝缘体。在二氧化硅绝缘体上沉积铝层以形成栅极端子。在操作中，一个负面的 v_GS 将电子推出通道区域，从而耗尽通道。什么时候 v_GS 达到一定的电压， V_T，频道是夹断。正值 v_GS 增加沟道尺寸，导致漏极电流增加。耗尽MOSFET可以以正值或负值运行 v_GS。由于栅极与沟道绝缘，栅极电流可忽略不计（大约为10）^-12 一个）。

图2 - p沟道耗尽MOSFET

图2与图1相当，只是我们已经改变了 n- 通道耗尽MOSFET到a p- 通道耗尽MOSFET。

n通道增强型MOSFET与图3一起用电路符号表示。这是最常用的场效应晶体管形式。

图3 - n沟道增强型MOSFET

n通道增强型MOSFET与耗尽型MOSFET的不同之处在于没有薄型 n-层。它需要栅极和源极之间的正电压来建立通道。该通道由正栅极 - 源极电压的作用形成， v_GS，它吸引电子从基板区域之间吸收电子 n - 排水沟和水源。正 v_GS 导致电子在氧化层下面的表面积聚。当电压达到阈值时， V_T，足够数量的电子被吸引到该区域，使其像导电一样起作用 n-渠道。没有可观的漏电流， i_D 存在直到 v_GS 超过 V_T.

图4与图3相当，只是我们已经改变了 n通道增强MOSFET到a p通道增强MOSFET。

图4 - p沟道增强型MOSFET

总之，MOSFET系列具有识别功能 i_D 与 v_GS 曲线如图5所示。每个特性曲线都有足够的漏源电压 v_DS 将设备维持在正常运行区域 i_D 与 v_DS 曲线。后面部分的讨论将定义阈值电压 V_T 适用于增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。

图5 – i_D 与 v_GS MOSFET系列的特性，以获得足够的漏源电压 V_DS

2.1增强型MOSFET端子特性

现在，我们已经介绍了MOSFET工作的基本结构和基础，我们使用一种方法来检查增强模式器件的终端行为。首先让我们从图1进行一些一般性的观察。考虑一下MOSFET中电流的正常流动是从漏极到源极（就像BJT中一样，它在集电极和发射极之间）。与 NPN BJT，漏极和源极之间存在两个背对背二极管。因此，我们必须向栅极施加外部电压，以允许电流在漏极和源极之间流动。

如果我们将源接地并向栅极施加正电压，则该电压实际上是栅极 - 源极电压。正栅极电压吸引电子并排斥空穴。当电压超过阈值时（V_T），吸引足够的电子在漏极和源极之间形成导电沟道。此时，晶体管导通，电流是两者的函数 v_GS 和 v_DS。应该很清楚 V_T 是一个正数 n- 通道设备，和负数 p- 通道设备。

一旦创建了一个频道（即， v_GS>V_T），电流可以在漏极和源极之间的沟道中发生。这种电流取决于 v_DS，但它也取决于 v_GS。何时 v_GS 只是勉强超过阈值电压，很少电流可以流动。如 v_GS 增加超过阈值，信道包含更多载波并且更高电流是可能的。图6显示了它们之间的关系 i_D 和 v_DS 哪里 v_GS 是一个参数。请注意 v_GS 低于阈值，没有电流流过。为了更高 v_GS，之间的关系 i_D 和 v_DS 近似线性表示MOSFET的行为类似于电阻取决于的电阻 v_GS.

图6 - i_D 与 v_DS 对于增强模式 n- 沟道MOSFET时 v_DS 是小

图6的曲线看起来像直线。但是，它们不会在直线时继续 v_DS 变得更大。回想一下，正栅极电压用于产生导电沟道。它通过吸引电子来做到这一点。正漏极电压做同样的事情。当我们接近通道的漏极端时，产生通道的电压接近 v_GS–v_DS 因为这两个来源相互对立。当这个差异小于 V_T，源和漏之间的整个空间不再存在通道。频道是受限在排水端，并进一步增加 v_DS 不要导致任何增加 i_D。这被称为正常操作区域或饱和图7所示的区域由特征曲线的水平截面。当差异大于 V_T，我们称之为 三极管 模式，因为所有三个端子的电位强烈影响电流。

前面的讨论导致了图7的操作曲线。

图7 - i_D 与 v_GS 用于增强型MOSFET

三极管和正常工作区域之间的过渡（称为饱和区域，通常称为夹断模式下的操作）操作如图7中的虚线所示，其中

(1)

在三极管区域边界，曲线的膝盖大致遵循这种关系，

(2)
在等式（2）中，K是给定器件的常数。其值取决于设备的尺寸和其构造中使用的材料。常数由下式给出，

(3)
在这个等式中， μ_n 是电子迁移率; C_氧化，氧化物电容，是栅极每单位面积的电容; W 是门的宽度; L 是门的长度。方程表示之间的复杂和非线性关系 i_D 和两个电压， v_DS 和 v_GS。因为我们希望漏极电流近似线性变化 v_GS （独立于 v_DS），FET通常不用于三极管区域。

我们现在希望找到饱和区域中的操作曲线的等式。我们可以通过评估转变（拐点）处的方程（2）来在三极管和饱和区域之间的过渡处建立值。那是，

(4)
该等式确定边界处的漏极电流的大小（图8中的虚线）作为栅极 - 源极电压的函数 v_GS。如有必要，我们可以通过添加线性因子来解释饱和区域中特征曲线的微小斜率。

(5)
在公式（5）中， λ 是一个小常数（图8中所示的特征曲线的近水平截面的斜率）。它通常小于0.001（V^-1）。然后

(6)

我们之前的所有讨论都涉及NMOS晶体管。我们现在简要讨论PMOS的必要修改。对于PMOS，值为 v_DS 将是负面的。另外，要在PMOS中创建一个频道， .

图8 - MOSFET晶体管的端子特性

NMOS晶体管特性（图7）的唯一变化是水平轴现在是-v_DS而不是+ v_DS，并且参数曲线表示栅极电压降低时的较高漏极电流（而不是NMOS晶体管的增加）。用于增加电流值的曲线对应于更负的栅极电压。什么时候 v_GS> V_T，晶体管截止。为了增强PMOS， V_T 是负的，对于耗尽PMOS， V_T 是积极的。

PMOS晶体管的三极管区域跃迁处的电流方程式与NMOS的方程式相同。那是，

(7)
需要注意的是 v_GS 和 v_DS 都是负数。 PMOS晶体管中饱和区的等式也与NMOS的等式相同。那是，

(8)

需要注意的是 λ 由于曲线的变化率，PMOS晶体管为负（）是否定的。

取公式（6）两边的偏导数 v_GS, ，我们得到

(9)
我们更喜欢的价值 g_m 保持不变，特别是对于大信号摆动。但是，如果我们将FET用于小信号应用，我们只能估计这种情况。对于大信号条件，在某些应用中波形的失真可能是不可接受的。

2.2耗尽型MOSFET

前一节涉及增强型MOSFET。我们现在将其与耗尽型MOSFET进行对比。为了 n通道增强模式，为了获得一个通道，我们必须在栅极上施加正电压。该电压必须足够大以迫使足够数量的移动电子在感应通道中产生电流。

图9 - 耗尽型n沟道MOSFET

在 n沟道耗尽型MOSFET，因为我们有一个物理注入的沟道，所以我们不需要这个正电压。即使在栅极上施加负电压，这也使我们在漏极和源极端子之间具有电流。当然，在仍然有电流在漏极和源极之间流动的同时，可以施加到栅极的负电压量有一个限制。再次将该极限确定为阈值电压， V_T。与增强模式的不同之处在于，栅极至源极电压现在可以为负或正，如图9所示。

定义耗尽型MOSFET的操作的等式与增强型的非常相似。漏极电流值的时候 v_GS 为零被识别为 I_DSS。这通常被称为 漏源饱和电流，或 零–栅极漏极电流。我们发现，将增强型MOSFET的方程式与耗尽型的方程式进行比较

(10)

然后我们发现，

(11)

耗尽型MOSFET可以采用分立形式提供，也可以与集成电路芯片一起制造，并具有增强型模式。这包括两者 p型和 n-类型。这允许电路设计技术具有更大的灵活性。

2.3 大信号等效电路

我们现在希望开发一种等效电路，它代表饱和区域中图8 [Equation（5）或（8）]的大信号特性。注意漏极电流， i_D，依赖于取决于 v_GS 和 v_DS。对于恒定的栅极到源极电压，我们沿着该图的参数曲线之一进行操作，并且该关系为近似直线。电流和电压之间的直线关系由电阻建模。因此，等效电路由一个与电流源并联的电阻组成，其中电流源的值确定了由于 v_GS。曲线的斜率取决于 v_GS。斜率是偏导数，

(12)

哪里 r₀ 是增量输出电阻。我们从方程[（5）或（8）]中看到，这个阻力由下式给出

(13)

我们使用大写的地方 V_GS 表示电阻是针对栅极 - 源极电压的特定恒定值定义的。公式（13）中的最终近似值来自公式（5），假设为 λ 是小。因此，电阻与偏置电流成反比， I_D。然后由图11给出大信号等效模型 r₀ 如公式（13）中所述。

图11 - 大信号等效电路

2.4 MOSFET的小信号模型

我们现在希望看看与方程有关的增量效应。该等式中的三个电路参数， i_D, v_GS 和 v_DS 由两者组成 dc （偏见）和 ac 组件（这就是我们在表达式中使用大写下标的原因）。我们对此感兴趣 ac 小信号模型的组件。我们看到漏极电流取决于两个电压，栅极 - 源极和漏极 - 源极。对于增量值，我们可以将此关系写为

(14)
在公式（14）中， g_m is 正向跨导 和 r₀ 是输出电阻。通过取公式（5）中的偏导数找到它们的值。从而，

(15)
公式（15）中的近似值来自观察结果 λ 如果小的话。公式（14）导致图12的小信号模型。

图12 - 小信号MOSFET模型

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