2。 金屬氧化物半導體FET（MOSFET）
電流– 2.金屬氧化物半導體FET（MOSFET）
上一個 - 1。 FET的優點和缺點
金屬氧化物半導體FET（MOSFET）
金屬氧化物半導體FET（MOSFET）是四端子器件。 終端是 源（S），門（G） 和 排水管（D）。 “ 基質 or 身體 形成第四個終端。 MOSFET的柵極端子與溝道絕緣，並帶有二氧化矽電介質。 MOSFET可以是 消耗 or 增強模式。 我們很快就會定義這兩個術語。
圖1 - n溝道耗盡MOSFET
由於SiO，MOSFET有時被稱為IGFET（絕緣柵場效應晶體管）2 用作柵極和襯底之間的絕緣體的層。 我們開始使用耗盡型MOSFET進行分析。 正如BJT可以 NPN or PNP，MOSFET也可以 n- 通道（NMOS）或 p-channel（PMOS）。 圖1說明了物理結構和符號 n - 通道耗盡MOSFET。 請注意，基板連接到源端子。 這幾乎總是如此。
耗盡MOSFET由a構成 物理 通道插在排水管和水源之間。 結果，當一個電壓， vDS，在漏極和源極之間施加電流， iD, 即使柵極端子G保持未連接，也存在漏極和源極之間（vGS = 0 V）。
建設 n通道耗盡MOSFET開始於 p摻雜矽。 該 n摻雜的源極和漏極阱在端部之間形成低阻抗連接 n-channel，如圖1所示。 沉積薄的二氧化矽層，覆蓋源極和漏極之間的區域。 SiO2 是絕緣體。 在二氧化矽絕緣體上沉積鋁層以形成柵極端子。 在操作中，一個負面的 vGS 將電子推出通道區域，從而耗盡通道。 什麼時候 vGS 達到一定的電壓， VT，頻道是 夾斷。 正值 vGS 增加溝道尺寸，導致漏極電流增加。 耗盡MOSFET可以以正值或負值運行 vGS。 由於柵極與溝道絕緣，柵極電流可忽略不計（大約為10）-12 一個）。
圖2 - p溝道耗盡MOSFET
圖2與圖1相當，只是我們已經改變了 n- 通道耗盡MOSFET到a p- 通道耗盡MOSFET。
n通道增強型MOSFET與圖3一起用電路符號表示。 這是最常用的場效應晶體管形式。
圖3 - n溝道增強型MOSFET
n通道增強型MOSFET與耗盡型MOSFET的不同之處在於沒有薄型 n-層。 它需要柵極和源極之間的正電壓來建立通道。 該通道由正柵極 - 源極電壓的作用形成， vGS，它吸引電子從基板區域之間吸收電子 n - 排水溝和水源。 正 vGS 導致電子在氧化層下面的表面積聚。 當電壓達到閾值時， VT，足夠數量的電子被吸引到該區域，使其像導電一樣起作用 n-渠道。 沒有可觀的漏電流， iD 存在直到 vGS 超過 VT.
圖4與圖3相當，只是我們已經改變了 n通道增強MOSFET到a p通道增強MOSFET。
圖4 - p溝道增強型MOSFET
總之，MOSFET系列具有識別功能 iD 與 vGS 曲線如圖5所示。 每個特性曲線都有足夠的漏源電壓 vDS 將設備維持在正常運行區域 iD 與 vDS 曲線。 後面部分的討論將定義閾值電壓 VT 適用於增強型MOSFET和耗盡型MOSFET。
圖5 – iD 與 vGS MOSFET系列的特性，以獲得足夠的漏源電壓 VDS
2.1增強型MOSFET端子特性
現在，我們已經介紹了MOSFET工作的基本結構和基礎，我們使用一種方法來檢查增強模式器件的終端行為。 首先讓我們從圖1進行一些一般性的觀察。考慮一下MOSFET中電流的正常流動是從漏極到源極（就像在BJT中一樣，它在集電極和發射極之間）。 與 NPN BJT，漏極和源極之間存在兩個背對背二極管。 因此，我們必須向柵極施加外部電壓，以允許電流在漏極和源極之間流動。
如果我們將源接地並向柵極施加正電壓，則該電壓實際上是柵極 - 源極電壓。 正柵極電壓吸引電子並排斥空穴。 當電壓超過閾值時（VT），吸引足夠的電子在漏極和源極之間形成導電溝道。 此時，晶體管導通，電流是兩者的函數 vGS 和 vDS。 應該很清楚 VT 是一個正數 n- 通道設備，和負數 p- 通道設備。
一旦創建了一個頻道（即， vGS >VT），電流可以在漏極和源極之間的溝道中發生。 這種電流取決於 vDS，但它也取決於 vGS。 什麼時候 vGS 只是勉強超過閾值電壓，很少電流可以流動。 如 vGS 增加超過閾值，信道包含更多載波並且更高電流是可能的。 圖6顯示了它們之間的關係 iD 和 vDS 哪裡 vGS 是一個參數。 請注意 vGS 低於閾值，沒有電流流過。 為了更高 vGS， 之間的關係 iD 和 vDS 近似線性表示MOSFET的行為類似於電阻取決於的電阻 vGS.
圖6 - iD 與 vDS 對於增強模式 n- 溝道MOSFET時 vDS 是小
圖6的曲線看起來像直線。 但是，它們不會在直線時繼續 vDS 變得更大。 回想一下，正柵極電壓用於產生導電溝道。 它通過吸引電子來做到這一點。 正漏極電壓做同樣的事情。 當我們接近通道的漏極端時，產生通道的電壓接近 vGS - vDS 因為這兩個來源相互對立。 當這個差異小於 VT，源和漏之間的整個空間不再存在通道。 頻道是 受限 在排水端，並進一步增加 vDS 不要導致任何增加 iD。 這被稱為正常操作區域或 飽和 圖7所示的區域由特徵曲線的水平截面。 當差異大於 VT，我們稱之為 三極管 模式，因為所有三個端子的電位強烈影響電流。
前面的討論導致了圖7的操作曲線。
圖7 - iD 與 vGS 用於增強型MOSFET
三極管和正常工作區域之間的過渡（稱為飽和區域，通常稱為夾斷模式下的操作）操作如圖7中的虛線所示，其中
（1）
在三極管區域邊界，曲線的膝蓋大致遵循這種關係，
（2）
在等式（2）中，K是給定器件的常數。 其值取決於設備的尺寸和其構造中使用的材料。 常數由下式給出，
（3）
在這個等式中， μn 是電子遷移率; C氧化，氧化物電容，是柵極每單位面積的電容; W 是門的寬度; L 是門的長度。 方程表示之間的複雜和非線性關係 iD 和兩個電壓， vDS 和 vGS。 因為我們希望漏極電流近似線性變化 vGS （獨立於 vDS），FET通常不用於三極管區域。
我們現在希望找到飽和區域中的操作曲線的等式。 我們可以通過評估轉變（拐點）處的方程（2）來在三極管和飽和區域之間的過渡處建立值。 那是，
（4）
該等式確定邊界處的漏極電流的大小（圖8中的虛線）作為柵極 - 源極電壓的函數 vGS。 如有必要，我們可以通過添加線性因子來解釋飽和區域中特徵曲線的微小斜率。
（5）
在公式（5）中， λ 是一個小常數（圖8中所示的特徵曲線的近水平截面的斜率）。 它通常小於0.001（V-1）。 然後
（6）
我們之前的所有討論都涉及NMOS晶體管。 我們現在簡要討論PMOS的必要修改。 對於PMOS，值為 vDS 將是負面的。 另外，要在PMOS中創建一個頻道， 
.
圖8 - MOSFET晶體管的端子特性
NMOS晶體管特性（圖7）的唯一變化是水平軸現在是-vDS 而不是+ vDS， 並且參數曲線表示柵極電壓降低時的較高漏極電流（而不是NMOS晶體管的增加）。 用於增加電流值的曲線對應於更負的柵極電壓。 什麼時候 vGS > VT，晶體管截止。 為了增強PMOS， VT 是負的，對於耗盡PMOS， VT 是積極的。
PMOS晶體管的三極管區域躍遷處的電流方程式與NMOS的方程式相同。 那是，
（7）
該票據 vGS 和 vDS 都是負數。 PMOS晶體管中飽和區的等式也與NMOS的等式相同。 那是，
（8）
該票據 λ 由於曲線的變化率，PMOS晶體管為負（
）是否定的。
取公式（6）兩邊的偏導數 vGS, 
，我們得到
（9）
我們更喜歡的價值 gm 保持不變，特別是對於大信號擺動。 但是，如果我們將FET用於小信號應用，我們只能估計這種情況。 對於大信號條件，在某些應用中波形的失真可能是不可接受的。
2.2耗盡型MOSFET
前一節涉及增強型MOSFET。 我們現在將其與耗盡型MOSFET進行對比。 為了 n通道增強模式，為了獲得一個通道，我們必須在柵極上施加正電壓。 該電壓必須足夠大以迫使足夠數量的移動電子在感應通道中產生電流。
圖9 - 耗盡型n溝道MOSFET
在 n溝道耗盡型MOSFET，因為我們有一個物理注入的溝道，所以我們不需要這個正電壓。 即使在柵極上施加負電壓，這也使我們在漏極和源極端子之間具有電流。 當然，在仍然有電流在漏極和源極之間流動的同時，可以施加到柵極的負電壓量有一個限制。 再次將該極限確定為閾值電壓， VT。 從增強模式的變化是，柵極至源極電壓現在可以為負或正，如圖9所示。
定義耗盡型MOSFET的操作的等式與增強型的非常相似。 漏極電流值的時候 vGS 為零被識別為 IDSS。 這通常被稱為 漏源飽和電流，或 零–柵極漏極電流。 我們發現，將增強型MOSFET的方程式與耗盡型的方程式進行比較
（10）
然後我們發現，
（11）
耗盡型MOSFET可以採用分立形式提供，也可以與集成電路芯片一起製造，並具有增強型模式。 這包括兩者 p型和 n-類型。 這允許電路設計技術具有更大的靈活性。
2.3 大信號等效電路
我們現在希望開發一種等效電路，它代表飽和區域中圖8 [Equation（5）或（8）]的大信號特性。 注意漏極電流， iD， 依賴於取決於 vGS 和 vDS。 對於恆定的柵極到源極電壓，我們沿著該圖的參數曲線之一進行操作，並且該關係為近似直線。 電流和電壓之間的直線關係由電阻建模。 因此，等效電路由一個與電流源並聯的電阻組成，其中電流源的值確定了由於 vGS。 曲線的斜率取決於 vGS。 斜率是偏導數，
（12）
哪裡 r0 是增量輸出電阻。 我們從方程[（5）或（8）]中看到，這個阻力由下式給出
（13）
我們使用大寫的地方 VGS 表示電阻是針對柵極 - 源極電壓的特定恆定值定義的。 公式（13）中的最終近似值來自公式（5），假設為 λ 是小。 因此，電阻與偏置電流成反比， ID。 然後由圖11給出大信號等效模型 r0 如公式（13）中所述。
圖11 - 大信號等效電路
2.4 MOSFET的小信號模型
我們現在希望看看與方程有關的增量效應。 該等式中的三個電路參數， iD, vGS 和 vDS 由兩者組成 dc （偏見）和 ac 組件（這就是我們在表達式中使用大寫下標的原因）。 我們對此感興趣 ac 小信號模型的組件。 我們看到漏極電流取決於兩個電壓，柵極 - 源極和漏極 - 源極。 對於增量值，我們可以將此關係寫為
（14）
在公式（14）中， gm is 正向跨導 和 r0 是輸出電阻。 通過取公式（5）中的偏導數找到它們的值。 從而，
（15）
公式（15）中的近似值來自觀察結果 λ 如果小的話。 公式（14）導致圖12的小信號模型。
圖12 - 小信號MOSFET模型