以某65N041器件为例,通过分析其曲线,来分析MOS管的工作特性。


一、转移特性曲线(VGS-ID曲线)


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    说明的是栅极电压VGS对ID的控制作用。


    从上图曲线可得到:


    1、测试条件:VDS=20V;


    2、VGS的开启电压VGS(th),约5V,且随着温度的升高而降低;


    3、VGS需要达到10V以上,才能完全导通,达到其最大标称ID;


    4、VGS越大,ID才能越大,温度越高,ID越小;


二、输出特性曲线(VDS-ID曲线)

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      上图可被分为四部分:


1、夹断区(截止区)


    此区域内,VGS未达到VGS(th),MOS管不导通,即ID基本为零;


2、可变电阻区


    此区域内,ID-VDS基本维持线性比例关系,斜率即为MOSFET的导通电子Rds(on)。


3、饱和区

    此区域内,ID不再随着VDS的增大而增大。说明ID已经饱和了。

4、击穿区

    此区域内,因VDS过大,MOSFET被击穿损坏。

    当MOSFET工作在开关状态时,随着VGS的通/断,MOSFET是在截止区和可变电阻区来回切换的,在切换过程中可能会经过饱和区。

    当MOSFET工作于饱和区时,可以用来通过控制VGS的电压来控制电流ID,将MOSFET用于实现上电软起动电路。

三、工作过程图解

    N沟道,增强型MOSFET结构原理图


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当栅-源之间不加电压时即VGS=0时,源漏之间是一个PN结。VDS为正时,PN结反偏,所以不存在导电沟道。

当UDS=0且UGS>0时,由于绝缘SiO2的存在,栅极电流为零。但是栅极金属层将聚集正电荷.它们排斥P型衬底靠近 SiO2一侧的空穴,使之剩下不能移动的负离子区,形成耗尽层,如图6所示


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 当UGS增大时,一方面耗尽层增宽,另一方面将衬底的自由电子吸引到耗尽层与绝缘层之间,形成一个N型薄层,称为反型层(即由原来的P型变成了N型),如图7所示。这个反型层就构成了漏-源之间的导电沟道。

使沟道刚刚形成的栅-源电压称为开启电压UGS(th)或VT。UGS电压越大,形成的反层型越厚,导电沟道电阻越小。

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当VGS>VT且VDS较小时,基本MOS结构的示意图如图8-1所示。图中反型沟道层的厚度左右一致。相应的ID-VDS特性曲线如图8-1所示。两者为固定线性关系。


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当VGS>VT且VDS增大时,由于漏极电压增大,栅极靠近漏极的相对电压VGD就小,因此沟道受其影响宽窄不同。如图8-2所示。


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要注意的是,这时栅极电压绝对值并没有降低,靠近漏极沟道变窄的原因,是栅极的影响力部分被漏极抵消了。一部分本来可以被栅极吸引形成沟道的电子,就被漏极正电压拉过去了。


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当VGS>VT且VDS电压继续升高,如果超过VGS-VT,造成沟道右边不满足开通条件而“夹断”。之所以出现夹断点,是因为在这个点,栅极对电子的吸引力被漏极取代。这时候MOS管进入“饱和区”,电流很难继续随电压增大。

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当VGS>VT且VDS>VDS(sat)时,如果VDS继续增大,VGD<Vt的预加断点不断左移,夹断区随之延长,如图所示,而且VDS的增大部分几乎全部用于克服夹断区对漏极电流的阻力,漏电流ID为一常数,这种情形在ID-VDS对应于饱和区(恒流区),如图8-4所示。


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    很多同学理解不了既然这时候沟道夹断了,不是应该截止了吗?为什么还会继续有电流?

    原因是虽然理论上沟道已经“夹断”,但这个夹断点很薄弱。为什么说它薄弱?因为夹断点后面支撑它的不是原来P型区域,而是电压升高更吸引电子的漏极及其空间电荷区。因此电子冲入空间电荷区,就相当于几乎没有阻挡的“准自由电子”快速被漏极收集。如图3所示。

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    可以想象,随着靠近漏极的沟道越来越细,很多高速的电子冲过来,一部分挤过夹断点进入空间电荷区,然后被漏极正电场高速收集(形成示意图中紫色电流)。漏极电压越高,夹断点越后退,造成电子越难穿越,

因此饱和区电流不再随电压增大而线性增大,毕竟不是所有电子都能冲过夹断点。


    当然,如果漏极的电压继续上升,它的空间电荷区持续扩张达到源极,那么源极的电子就会不受沟道和栅压的控制,直接经过空间电荷区高速到达漏极,这就是源漏直接穿通了,这时MOS管的开关功能也就作废了。

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