VVZ24-16io1作用下开始导电时的栅源电压ocs叫做开启电压vt①。因此,当rcs场效应管工作于输出特性线的截止区靠近横坐标处),如图5.1.3a所示。

可变电阻区和饱和区的形成机制,当pGs=ycs>vt,如图5.1.2c所示,外加较小的1)Ds时,漏极电流0D将随h)s上升迅速增大,与此相对应,反映在输出特性上就如图5.1,3a所示的0A段,输出特性曲线的斜率较大。但随着vDs上升,由于沟道存在电位梯度,因此沟道厚度是不均匀的:靠近源端厚,靠近漏端薄,即沟道呈楔形。当vDs增大到一定数值(例如tlcD=ucs-uds=yI),这时靠近漏端反型层消失,oDs继续增加,将形成一夹断区(反型层消失后的耗尽区),夹断点向源极方向移动,如图5.1.2d所示。值得注意的是,虽然沟道夹断,但耗尽区中仍可有电流通过,只有将沟道全部夹断,才能使JD=0。只是当oDs继续增加时,rDs增加的部分主要降落在夹断区,而降落在导电沟道上的电压基本不变,因而h)s上升,JD趋于饱和,这时输出特性曲线的斜率变为0,即由可变电阻区进人饱和区(见图5.1.3a中的AB段)。我们常将这种夹断称为预夹断。预夹断的临界条件为%l)=oGs^vDs=yT或

UDs=”cs_%。它也是可变电阻区与饱和区的分界点。

预夹断临界点轨迹vDS=uGS-uds=vT或uGD=vCs-vt

N沟道增强型MOs管输出特性(a)vcs=ycs)vt和vGs(yr (b)输出特性

y-r特性曲线及大信号特性方程,输出特性及大信号特性方程,MOSFET的输出特性是指在栅源电压v cs一定的情况下,漏极电流JD与漏开启电压%的下标T为Threshold一词的字头。对于图5.12所示衬底B与源极s连在一起,即t:s=0时的开启电压称为零衬偏开启电压,也常用h。表示,以示区别。此外,有的教材也用

vgs(th)表示开启电压。

源电压vDs之间的关系,即vcs=常数

图5.1.3b所示为一N沟道增强型MOs管完整的输出特性。因为vGD=vts-vDs=vt是预夹断的临界条件,据此可在输出特性上画出预夹断轨迹,如图5.1.3b中左边的虚线所示。显然,该虚线也是可变电阻区和饱和区的分界线。现分别对三个区域进行讨论。

截止区,当vGs(%时,导电沟道尚未形成,uD=0,为截止工作状态。

可变电阻区在可变电阻区内

us≤(%s-h)          (5・1・1)

其y~r特性可近似表示为

iD=Kn[2(vts h)vDs一vts]       (5.1.2)

其中     Kn=n・f=uh(f)    (5.⒈3)

式中本征导电因gu=unC。x(通常情况下为常量),un是反型层中电子迁移率,C。x为栅极(与衬底间)氧化层单位面积电容①,电导常数Kn的单位是mA/V2。在特性曲线原点附近,因为vDs很小,可以忽略吒s,式(5,1,2)可近似为

JD≈2Kn(°Gs-h)v Ds         (5.1.4)

由此可以求出当vcs一定时,在可变电阻区内,原点附近的输出电阻rds。为式(5,1,5)表明,rds。是一个受oGs控制的可变电阻。

饱和区(恒流区又称放大区),当v cs≥%,且vDs≥v cs-%时,MOSFET已进人饱和区。由于在饱和区内,可近似看成iD不随vDs变化。因此,将预夹断临界条件0Ds=V Gs-%代入式(5.1.2),便得到饱和区的y~f特性表达式

jD=Kn(%s-yT)2=Kn9;(u-1)=JDo(j-1) (⒌⒈6)

式中rDo=Knj,它是vs=2%时的JD。

转移特性,电流控制器件BJT的工作性能,是通过它的输人特性和输出特性及一些参

Cox=氧化物介电常数ε。x/氧化物的厚度xo对于硅器件,ε。x=(3.9)

(8.85×10^14)F/cm。

有关这方面的内容,可参阅:[美]Donald A.Neamen著.赵桂钦,卜艳萍译.电子电路分析与设计.北京:电子工业出版社,2003~第201页。

数来反映的。FET是电压控制器件,它除了用输出特性及一些参数来描述其性能外,由于栅极输入端基本上没有电流,故讨论它的输人特性是没有意义的。所谓转移特性是在漏源电压tL)s一定的条件下,栅源电压vcs对漏极电流JD的

控制特性,即(JI)=r(vcs)||rDs=常数

由于输出特性与转移特性都是反映FET工作的同一物理过程,所以转移特性可以直接从输出特性上用作图法求出。例如,在图5.1.3b的输出特性中,作%s=10Ⅴ的一条垂直线,此垂直线与各条输出特性曲线的交点分别为A、B、C、D和E,将

上述各点相应的jD及ocs值画在艺D-%s的直角坐标系中,就可得到转移特性JD=r(ocs)|rDs=lO v’如图5.1.4所示。

由于饱和区内,JD受t)Ds的影响很小,因此,在饱和区内不同`,Ds下的转移特性基本重合。

Kn=-2u

2×3×10ˉ4cm

= 249275 ×10^9F/`厂 .s ≈o.249 ×10-3F

=0.249×10^kn~=。.249×10ˉ3其=0.249 mA/V2

当ucs=2%时,由式(5.1.6)得

JD=Kn(vGs-7T)2 =0.249×(1.5-0.75)2 mA=0.14 mA

图5.1.4 由图5.1.3作出的转移特性

此外,转移特性也可由式(5,1.6)画出。由式(5.1.6)可知,这是一条二次曲线,而BJT的输人特性,jc与I:E的关系是指数关系。故MOs管的转移特性比BJT输入特性的线性要好些。

例5,1,1 设N沟道增强型MOs管的参数为%=0,75Ⅴ,∥=30 um,E=3 um,un=650 cm2/Ⅴ・s,(7。x=76.7×10ˉ9F/cm2,~且ucs=2 yT,MOSFET工作在饱和区。试计算此时场效应管的工作电流JD。

解:由式(5.1.3)可确定电导参数值为

30 ×^4 crn~×650c1・n2/Ⅴ・s×76.7×10^9F/cm2

vDs=10V

深圳市唯有度科技有限公司http://wydkj.51dzw.com/