三極管
三端器件 雖然隻比二端多了一個端子 但是這個是個重大的突破 因為多了一端 就會我們利用一個端口的信号去控制另一個端口信号的可能 這樣我們可以更加靈活的控制器件 讓器件根據我們的要求工作
雖然目前最早出現的三端器件是晶體三極管 但目前應用最廣的還是半導體器件是 場效應管中的MOS器件 由于它的制作工藝簡單 為內建化生産提供了條件 其市場占有率高達90%以上 是以我們先學習MOS器件和應用
MOS管有4類 以NEMOSFET為例來介紹它的伏安特性
在 P 型襯底上建立兩個重
摻雜的 N 型區，分别稱為源區和漏區(源區和漏區都是N型區)
在源區和漏區間的P型半導體表面上覆寫一層氧化層Si02 并在氧化層上沉積一層金屬 形成栅極 另外P型襯底另一面也覆上了金屬膜 引出電極--襯底極
是以 MOSFET在實體結構上共引出4個端子：栅極G(grate),源極S(source)，漏極D(drain)，襯底極B(bottom) MOSFET本質是一個四端口器件
但是因為源區和漏區本質其實是沒有差別的 源區和漏區也可以交換使用
漏區和源區将分别與襯底之間形成 PN 結。在
正常工作時，需要保證這兩個 PN 結反偏，是以通常将源極與襯底極相連，并且
使之連接配接到電路的最低電位（對于 N 溝道器件來說），這種連接配接方式可保證兩個
PN 結反偏，這也是 MOSFET 常見的工作狀态。這樣連接配接後，可認為襯底極對場
效應管的工作沒有影響
MOSFET 作為三端口器件來使用，即栅極G、源極(最低電位)S和漏極D(drain)
3 個端口，但這樣處理後源極和漏極就不能再互換使用
NEMOSFET
由圖我們可以知道 我們把源極作為參考節點 用兩個電源vGS和vDS來控制器件工作
現在 我們要研究的是 端口電壓跟電流的關系
因為栅極上有絕緣的氧化層 是以栅極上的電流iG是等于0的
由KCL可以知道 如果這個電路上有電流通過 那麼漏極電流iD與源極電流iS一定相等 是以我們放棄對vGS的端口的電壓電流的觀測 把關注點放到漏極電流iD上
由于iD和vGS和vDS都有關系 為了簡化讨論 我們先假設vGS為一個正的常數 且電壓常數比較高 那麼器件中會有電流通過
我們測試iD和vDS的關系 會得到這樣的關系 這條曲線有一部分為橫流的關系 即：當vGS足夠大 且為一個定值的時候 vDS大于某個值 器件上通過的電流iD将處于一個恒定值 而與vDS變化無關
此時這說明這個端口上的電流 與這個端口的電壓是無關的 即：這個端口的電流不受這個端口的電壓控制
那麼在這個恒流電流區域内 這個iD和什麼因素有關呢？
為了研究 我們通過半導體測試儀 同時改變vGS和vDS大小 得到 注意：vGS此時選取了一些離散值 觀察
我們發現NEMOSFET 隻有在vGS，vDS都會正值時 才可能有電流通過 且當vGS大于某一刻定值時才有電流通過 無論VGS取什麼數值 VDS總是會在它增大到某個數目後 進入恒流區 這個時候iD的電流大小隻會與另一個另一個端口VGS有關 與自己這段的vDS無關
我們發現NEMOSFET 隻有在vGS，vDS都會正值時 才可能有電流通過 且當vGS大于某一刻定值時才有電流通過 無論VGS取什麼數值 VDS總是會在它增大到某個數目後 進入恒流區 這個時候iD的電流大小隻會與另一個另一個端口VGS有關 與自己這段的vDS無關
這個受控作用 我們可以用它來做放大器的設計 把電流剛剛出現時 所對應的所需要vGS值 稱為NEMOSFET的開啟電壓Vt 隻有VGS大于它Vt電流才有可能出現 是以這個參數其實與二極管的正向導通電壓相似 注意： 但是對于不同型号的MOS 這個值和它的工藝條件有關 且相差較大
Vt是指的是VGS的值
iD，VGS和VDS三者的伏安關系曲線
根據這三個名額的變化 我們可以分為三個區域
1.截止區
vGS<Vt 此時vDS為任意值也無法改變狀态 MOS相當于開路
截止區
2.飽和區
飽和區電流和電壓關系
從圖中可以看出電流的表達式中是沒有VDS的，是一個定值
飽和區
3.變阻區
工作條件
為了友善說明 引入一個新的參數--“過驅動電壓”它是指的VDS的值 不是VGS的 它是飽和區和變阻區的分界面
在變阻區的 電流-電壓表達式
變阻區 受VGS和VDS影響
變阻區有個應用 就是可以用做阻值受控的線性電阻 這也是變阻區名字的由來，我們将伏安特性圖的vDS取值縮小到mV 從圖中可以看到 NEMOS表征為 一條直線
電阻rDS就是電壓除以電流
電阻rDS
溝道長度調制效應：
上面 我們看到了飽和區内iD的恒流特性 這種特性是用來做放大器的基礎 但是随着vDS的逐漸增大 這種恒流特性是要打折扣的 也就是說在飽和區 iD還是會受vDS的影響
我們發現在飽和區 曲線是有上翹趨勢的 我們把這種現象稱為 溝道長度調制效應 簡稱溝長效應 後面我們會知道 這種效應在溝道長度L比較小的器件中 表現明顯 而在L較大的器件中可以忽略不計
溝長效應
當然我們這裡畫的比較誇張 還引入了一個厄爾利電壓vA來描述這種影響的強度 因為我們發現将所有曲線延長 都會交于橫軸上的同一個點 這個點的大小就是厄爾利電壓 vA越大 上升越不明顯 溝長效應越不明顯 對于飽和區的正向受控有益處
λ是溝道長度調制系數 它取決于MOS工藝參數 它非常小等于1/vA 一般器件手冊上一般給出vA的數值 一般幾十~幾百
我們給出飽和電壓區的修正方程
沒有特殊說明 我們在飽和區一般不會使用這個方程 而是直接用電路模型來描述參數的影響
三極管改成諾頓形式 因為它還是有内阻的
而我們還可以畫出另外一種橫縱坐标的飽和區曲線 坐标為iD-vGS 在這個轉移特性曲線 我們可以清楚的看到開啟電壓的位置
如果是P型的話
它的襯底是N型的 外電壓引起導電溝道是P型 是以參與導電的載流子是空穴
對于P型 通常把D漏極接地 是低電位 是以箭頭應該是S到D的
N型的是D到S
P型另外一種常用的型式
伏安特性
伏安特性相反
耗盡型和增強型大體相同
輸出特性
轉移特性
當然MOS的實作還有很多方法，比如CMOS或者其他等等