场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数
场效应管原理、场效应管的小信号模型及其参数
场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。有n沟道器件和p沟道器件。有结型场效应三极管jfet(junction field effect transister)和绝缘栅型场效应三极管igfet( insulated gate field effect transister) 之分。igfet也称金属-氧化物-半导体三极管mosfet（metal oxide semiconductor fet）。
mos场效应管
有增强型（enhancement mos 或emos）和耗尽型(depletion)mos或dmos）两大类，每一类有n沟道和p沟道两种导电类型。场效应管有三个电极：
d(drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；
g(gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；
s(source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型mos(emos)场效应管
道增强型mosfet基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在p型半导体上生成一层sio2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的n型区，从n型区引出电极，一个是漏极d，一个是源极s。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极 g。p型半导体称为衬底(substrat)，用符号b表示。
一、工作原理
1．沟道形成原理
当vgs=0 v时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压，不会在d、s间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜vgs＜vgs(th)时（vgs(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的p型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流id。
进一步增加vgs，当vgs＞vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的p型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流id。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与p型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。随着vgs的继续增加，id将不断增加。
在vgs=0v时id=0，只有当vgs＞vgs(th)后才会出现漏极电流，这种mos管称为增强型mos管。
vgs对漏极电流的控制关系可用id=f(vgs)|vds=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。
转移特性曲线斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm 的量纲为ma/v，所以gm也称为跨导。
跨导的定义式如下： gm=△id/△vgs|
(单位ms)
2． vds对沟道导电能力的控制
当vgs＞vgs(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压vds对漏极电流id的影响。vds的不同变化对沟道的影响如图所示。
根据此图可以有如下关系
vds=vdg＋vgs= —vgd＋vgs
vgd=vgs—vds
当vds为0或较小时，相当vgd＞vgs(th)，沟道呈斜线分布。在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，漏源之间有电流通过。
当vds 增加到使vgd=vgs(th)时，相当于vds增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，此时的漏极电流id基本饱和。
当vds增加到 vgdvgs(th)、vdsvgs(th)、vds>vgs-vgs(th) 限定。漏极电流表达式：
在这个工作区内，id受vgs控制。考虑厄尔利效应的id表达式：
3．截止区和亚阈区
vgs
4．击穿区
当vds 增大到足以使漏区与衬底间pn结引发雪崩击穿时，id迅速增加，管子进入击穿区。
四、p沟道emos场效应管
在n型衬底中扩散两个p+区，分别做为漏区和源区，并在两个p+之间的sio2绝缘层上覆盖栅极金属层，就构成了p沟道emos管。
耗尽型mos（dmos）场效应管
n 沟道耗尽型mosfet的结构和符号如图3-5所示，它是在栅极下方的sio2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当vgs=0时，这些正离子已经感应 出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当vgs＞0时，将使id进一步增加。vgs＜0时，随着vgs的减小漏极电流逐渐减 小，直至id=0。对应id=0的vgs称为夹断电压，用符号vgs(off)表示，有时也用vp表示。n沟道耗尽型mosfet的转移特性曲线见图所示。
n沟道耗尽型mosfet的结构和转移特性曲线
p沟道mosfet的工作原理与n沟道mosfet完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有npn型和pnp型一样。
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d(drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；
g(gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；
s(source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
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当栅极加有电压时，若0＜vgs＜vgs(th)时（vgs(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的p型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流id。
进一步增加vgs，当vgs＞vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的p型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电 压，就可以形成漏极电流id。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与p型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion layer）。随着vgs的继续增加，id将不断增加。
在vgs=0v时id=0，只有当vgs＞vgs(th)后才会出现漏极电流，这种mos管称为增强型mos管。
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