三极管-场效应管的方式

三极管
三端器件 虽然只比二端多了一个端子 但是这个是个重大的突破 因为多了一端 就会我们利用一个端口的信号去控制另一个端口信号的可能 这样我们可以更加灵活的控制器件 让器件根据我们的要求工作
虽然目前最早出现的三端器件是晶体三极管 但目前应用最广的还是半导体器件是 场效应管中的MOS器件 由于它的制作工艺简单 为集成化生产提供了条件 其市场占有率高达90%以上 所以我们先学习MOS器件和应用
MOS管有4类 以NEMOSFET为例来介绍它的伏安特性

在 P 型衬底上创建两个重
掺杂的 N 型区，分别称为源区和漏区(源区和漏区都是N型区)
在源区和漏区间的P型半导体表面上覆盖一层氧化层Si02 并在氧化层上沉积一层金属 形成栅极 另外P型衬底另一面也覆上了金属膜 引出电极--衬底极

所以 MOSFET在物理结构上共引出4个端子：栅极G(grate),源极S(source)，漏极D(drain)，衬底极B(bottom) MOSFET本质是一个四端口器件

但是因为源区和漏区本质其实是没有区别的 源区和漏区也可以交换使用

漏区和源区将分别与衬底之间形成 PN 结。在
正常工作时，需要保证这两个 PN 结反偏，因此通常将源极与衬底极相连，并且
使之连接到电路的最低电位（对于 N 沟道器件来说），这种连接方式可保证两个
PN 结反偏，这也是 MOSFET 常见的工作状态。这样连接后，可认为衬底极对场
效应管的工作没有影响
MOSFET 作为三端口器件来使用，即栅极G、源极(最低电位)S和漏极D(drain)
3 个端口，但这样处理后源极和漏极就不能再互换使用

NEMOSFET

由图我们可以知道 我们把源极作为参考节点 用两个电源vGS和vDS来控制器件工作
现在 我们要研究的是 端口电压跟电流的关系
因为栅极上有绝缘的氧化层 所以栅极上的电流iG是等于0的

由KCL可以知道 如果这个电路上有电流通过 那么漏极电流iD与源极电流iS一定相等 因此我们放弃对vGS的端口的电压电流的观测 把关注点放到漏极电流iD上

由于iD和vGS和vDS都有关系 为了简化讨论 我们先假设vGS为一个正的常数 且电压常数比较高 那么器件中会有电流通过

我们测试iD和vDS的关系 会得到这样的关系 这条曲线有一部分为横流的关系 即：当vGS足够大 且为一个定值的时候 vDS大于某个值 器件上通过的电流iD将处于一个恒定值 而与vDS变化无关

此时这说明这个端口上的电流 与这个端口的电压是无关的 即：这个端口的电流不受这个端口的电压控制

那么在这个恒流电流区域内 这个iD和什么因素有关呢？
为了研究 我们通过晶体管测试仪 同时改变vGS和vDS大小 得到 注意：vGS此时选取了一些离散值 观察

我们发现NEMOSFET 只有在vGS，vDS都会正值时 才可能有电流通过 且当vGS大于某一刻定值时才有电流通过 无论VGS取什么数值 VDS总是会在它增大到某个数目后 进入恒流区 这个时候iD的电流大小只会与另一个另一个端口VGS有关 与自己这段的vDS无关
我们发现NEMOSFET 只有在vGS，vDS都会正值时 才可能有电流通过 且当vGS大于某一刻定值时才有电流通过 无论VGS取什么数值 VDS总是会在它增大到某个数目后 进入恒流区 这个时候iD的电流大小只会与另一个另一个端口VGS有关 与自己这段的vDS无关

这个受控作用 我们可以用它来做放大器的设计 把电流刚刚出现时 所对应的所需要vGS值 称为NEMOSFET的开启电压Vt 只有VGS大于它Vt电流才有可能出现 所以这个参数其实与二极管的正向导通电压相似 注意： 但是对于不同型号的MOS 这个值和它的工艺条件有关 且相差较大
Vt是指的是VGS的值

iD，VGS和VDS三者的伏安关系曲线

根据这三个指标的变化 我们可以分为三个区域
1.截止区
vGS

截止区

2.饱和区

饱和区电流和电压关系

从图中可以看出电流的表达式中是没有VDS的，是一个定值

饱和区

3.变阻区

工作条件

为了方便说明 引入一个新的参数--“过驱动电压”它是指的VDS的值 不是VGS的 它是饱和区和变阻区的分界面

在变阻区的 电流-电压表达式

变阻区 受VGS和VDS影响

变阻区有个应用 就是可以用做阻值受控的线性电阻 这也是变阻区名字的由来，我们将伏安特性图的vDS取值缩小到mV 从图中可以看到 NEMOS表征为 一条直线

电阻rDS就是电压除以电流

电阻rDS

沟道长度调制效应：
上面 我们看到了饱和区内iD的恒流特性 这种特性是用来做放大器的基础 但是随着vDS的逐渐增大 这种恒流特性是要打折扣的 也就是说在饱和区 iD还是会受vDS的影响
我们发现在饱和区 曲线是有上翘趋势的 我们把这种现象称为 沟道长度调制效应 简称沟长效应 后面我们会知道 这种效应在沟道长度L比较小的器件中 表现明显 而在L较大的器件中可以忽略不计

沟长效应

当然我们这里画的比较夸张 还引入了一个厄尔利电压vA来描述这种影响的强度 因为我们发现将所有曲线延长 都会交于横轴上的同一个点 这个点的大小就是厄尔利电压 vA越大 上升越不明显 沟长效应越不明显 对于饱和区的正向受控有益处

λ是沟道长度调制系数 它取决于MOS工艺参数 它非常小等于1/vA 一般器件手册上一般给出vA的数值 一般几十~几百

我们给出饱和电压区的修正方程

没有特殊说明 我们在饱和区一般不会使用这个方程 而是直接用电路模型来描述参数的影响

三极管改成诺顿形式 因为它还是有内阻的

而我们还可以画出另外一种横纵坐标的饱和区曲线 坐标为iD-vGS 在这个转移特性曲线 我们可以清楚的看到开启电压的位置

如果是P型的话
它的衬底是N型的 外电压引起导电沟道是P型 所以参与导电的载流子是空穴

对于P型 通常把D漏极接地 是低电位 所以箭头应该是S到D的

N型的是D到S

P型另外一种常用的型式

伏安特性

伏安特性相反

耗尽型和增强型大体相同

输出特性

转移特性

当然MOS的实现还有很多方法，比如CMOS或者其他等等