MOS场效应管的特性曲线及三个工作区详解

以n沟道增强型MOS管为例进行讨论。MOS场效应管在应用中有多种连接方式，最常用的是共源连接方式，如图1.1-7所示。图中源极与衬底相连接，信号由栅极G输入，经MOS场效应管放大后由漏极D输出。当GS电压VGS变化时，n沟增强型MOS场效应管的输出特性曲线如图1.1-8b所示。其转移特性曲线如图1.1-8b所示，它反映了漏源电流ID与栅偏压VGS的关系。图中VT称为阈值电压，它表征MOS场效应管由截止过渡到导通的临界工作点。只有当栅偏压高于VT时，MOS场效应管才能导通。

MOS场效应管的特性曲线

1.1-8a中的输出特性曲线可以由图中的虚线划分为三个工作区，即可调电阻区（I）、饱和区（Ⅱ）和雷崩区（Ⅲ），下面对各区域的主要特性分别作一简要说明。这里假设源极与衬底相连。

1、可调电阻区（也称线性区）

在此区域中，ID随VDs的变化而近似于线性变化，所以，也称其为线性区。由半导体表面的基础知识可知，若p型衬底的掺杂浓度一定时，当VGS>VT，则在栅氧化层的表面会出现n型反型层，即形成源区与漏区之间场感应的导电沟道，如图1.1-9a所示，但是，若此时漏源电压为零，则沟道内各处电位相同，故不能形成漏源电流，即ID为零。MOS场效应管的特性曲线。当VDS>0时，在沟道区中将产生横向电位梯度，因此漏源之间形成电流。而且当VDS增加时，横向电位梯度增加，电流ID也随之增加，ID与VDS呈线性变化，此时源区与漏区之间感应出的沟道就相当于一个线性电阻。对应于不同的VGS，沟道电阻值也将发生变化，例如，当VGS增加时，沟道厚度增加，故沟道电阻将减小。

此外，当VDS>0时，由于沟道中存在横向电位梯度，在沟道区靠近源极处的纵向电场强度较大，而靠近漏极处的电场强度较小，这就导致由源极到漏极的沟道厚度逐渐变薄，将使沟道电阻明显增加，故此时ID随VGS的增加速度变得缓慢了，从而出现了可调电阻区中的弯曲部分。

当VDS继续增加到VDS-VT时，栅极与漏极之间的电压恰好等于开启电压VT，故靠近漏极端的硅表面反型层消失，只剩下耗尽区，即此处沟道厚度为零（漏极处的沟道开始夹断），如图1.1-9b所示。这种情况对应于输出特性曲线中可调电阻区与饱和区的交界处。此后漏极电流开始饱和。

2、饱和区

在饱和区域内，ID几乎不随VDS而变，故称为漏极电流饱和区。当VDS>VT-VT时，漏极与栅极之间的电压小于VT，沟道厚度为零的区域略为扩大，即夹断点向源极处靠近，如图1.1-9c所示。MOS场效应管的特性曲线。此时当VT增加时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上。由于沟道两端电压基本不变，因而，当VDS增加时，漏极电流不再随之增加而达到饱和值，当然，若VGS增加时，由于沟道电阻减小，故其饱和电流值也相应增加，饱和区是MOS场效应管的主要工作区。

MOS场效应管的特性曲线

3、雪崩区

如果VDS大于某一击穿电压BVDS，漏极与衬底之间的Pn结发生反向击穿，ID将急剧增加，特性曲线进入雪崩区（Ⅲ）。此时漏极电流不经过沟道区，而直接由漏极流入衬底。在电路设计时，应避免MOS场效应管工作在雪崩区。

通常n沟增强型MOS场效应管的输出特性曲线可以分为四个区城（见图1.1-10a）。

（1）截止区： MOS场效应管的特性曲线。

（2）线性区（可调电阻区）：，，ID与VDS近似呈线性关系，此时MOS管的漏源两端相当于一个线性电阻，其电阻大小受控制，越大其电阻值越小。

（3）饱和区：，，此时随着VDS的增加，ID变化很小，而ID的大小主要由电压值来决定，越大ID也越大。

（4）雪崩区：，此时，ID随VDS的增加而迅速增大。

n沟耗尽型MOS场效应管与n沟增强型MOS场效应管的主要区别在于，前者的p型衬底的掺杂浓度较低，故当为零时，栅下的硅表面已形成反型层，即已形成沟道，故只要加上一定的漏源电压就能形成相当大的漏极电流，只有在栅极上加一个较大的负电压，才能使栅下的表面由反型转变为耗尽，此时n沟道消失，漏极电流变为零。使漏极电流为零时的栅源电压就称为n沟耗尽型MOS场效应管的夹断电压（用或表示），n沟耗尽型MOS场效应管的特性曲线如图1.1-10b所示，其形状与增强型的完全类似。耗尽型场效应管中时的饱和电流记为IDSS，常称为漏源饱和电流。