电子工程师必读：增强型NMOS管工作特性详解

电子工程师必读：增强型NMOS管工作特性详解

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/RollTao/article/details/145537722

本文详细探讨了增强型NMOS管在不同电压条件下的工作状态和变化，通过两个具体问题展开讨论：当GS电压大于开启电压且固定时，增加DS电压对MOS管的影响；当DS电压固定时，增加GS电压对MOS管的影响。文章内容专业且深入，涉及MOS管的工作区域划分、电流变化规律等技术细节，并配有相关公式和解释。

问题1：对于增强型NMOS管，如果GS电压大于GS开启电压，且是一个定值，此时如果持续增加DS间的电压，mos管会有怎样的变化？

在增强型NMOS管中，当 VGS 保持在一个固定值且大于开启电压（阈值电压 Vth）时，随着 VDSV的不断增大，器件的工作状态会经历以下几个阶段：

1. 线性（欧姆）区：

• 当 VDS较小（通常满足 VDS<VGS−Vth）时，NMOS管的沟道从源极到漏极均已形成。
• 此时，漏极电流近似满足线性关系：
• 电流随 VDSV_{DS} 线性上升，器件表现为一个可变电阻。

2. 饱和区：

• 当 VDS增加到接近 VGS−Vth时，靠近漏极处的沟道开始钳制（即通道在漏极端“收缩”），器件进入饱和区。
• 理想情况下，在饱和区内，漏极电流主要由 VGS控制，而对 VDS的依赖很弱，公式为：
• 实际上，由于沟道长度调制（Channel Length Modulation）的影响，随着 VDS 的进一步增加，饱和区内的漏电流会有轻微的上升，可以修正为：
  其中 λ是沟道长度调制系数。

3. 极限与击穿现象：

• 如果继续增大 VDSV_{DS} 并远超过饱和条件下的电压，器件内部特别是在漏区会产生非常高的电场。
• 当电场超过器件材料的承受能力时，就可能引起雪崩击穿或其他击穿机制，此时器件会突然导通大量电流，并有可能损坏。
• 这种击穿现象通常在设计中应避免出现，通过控制 VDS 在安全范围内工作来保护器件。

总结：

• 在固定 VGS（且 VGS>VthV）的情况下，随着 VDS的增加，NMOS管先从线性区进入饱和区。
• 在线性区内，电流随 VDS近似线性增长；进入饱和区后，电流基本由 VGS−Vth决定，仅因沟道长度调制而有微小上升。
• 如果 VDS 继续增大到超过器件的设计极限，则可能引发击穿现象，导致器件损坏。

问题2：DS电压是一个定值，GS电压持续增加，mos管的变化

1. VGS<Vth —— 关断状态

• 当栅源电压低于阈值电压 Vth 时，沟道未形成，器件处于关断状态，几乎没有漏极电流流过。

2. VGS刚超过 Vth —— 初始导通 & 饱和区

• 开始导通：一旦 VGS稍微大于 Vth（即 VGS=Vth+ΔV，其中 ΔV很小），沟道开始在源极处形成。但由于此时 VGS−Vth非常小，而 VDS是一个固定且相对较高的值，通常满足： VDS>VGS−Vth
• 工作区域：根据MOSFET的工作区划分条件，若 VDS>VGS−Vth，器件处于饱和区（也称为活性区），即使 VDS值固定，漏极电流主要受 VGS−Vth控制。
• 漏极电流：在理想模型中（不考虑沟道长度调制），饱和区电流近似为：
  因此在这个阶段，随着 VGS增加，ID会大致按二次函数关系增加。

3. 进一步增大 VGS—— 由饱和区转入三极管（线性）区

• 转变条件：当 VGS持续升高，直到满足： VGS−Vth>VDS此时，整个沟道都被充分增强，且不再出现漏极端的钳位现象。也就是说，当 VGS>Vth+VDS器件就会进入三极管区（或称为线性区）。
• 三极管区特性：在三极管区，MOSFET的漏极电流可以写成：
  
  此时，对于固定的 VDS，ID随着 VGS的增加近似呈线性增长，并且器件表现为一个可变电阻，其导通电阻 Ron 大致为：
  因此，随着 VGS增加，沟道电导提高，Ron减小。

4. 总结

• 从关断到导通：当 VGS从低于 Vth增加到刚刚超过 Vth 时，器件开始导通，但由于 VGS−Vth很小且 VDS固定较高，工作在饱和区，此时漏极电流随 VGS 的增加呈二次关系上升。
• 由饱和区转入线性区：当 VGS继续增大并满足 VGS>Vth+VDS 后，整个沟道被充分增强，器件进入线性区（欧姆区），此时器件表现为一个低阻值的开关，漏极电流随 VGS变化的增幅变得接近线性。
• 实际效果：固定 VDS 的情况下，增加 VGS将使得MOS管的导通性能不断增强：漏极电流增大、导通电阻减小，最终使器件表现得更加“饱满”（即低阻通路）。
  需要注意的是，实际器件中还可能会受到次级效应（如沟道长度调制、高场效应等）的影响，但总体趋势如上所述。

结论：
在固定 VDS的条件下，随着 VGS的持续增加，增强型NMOS管会从完全关断进入饱和区（初期导通时电流按 (V_{GS}-V_{th})^2 增加），并在 VGS足够高时转入线性区（导通电阻降低、漏极电流线性增加）。当 VGS足够大、超过了MOS管所允许的最大额定值时，会引起栅氧化层的击穿，从而导致器件损坏。因此，在设计和使用过程中必须严格控制栅极电压，确保其不超过规格书中规定的最大值。