N溝道增強型MOS管的工作區間及開通過程分析

N溝道增強型MOS管的結構如圖1所示，P型襯底上制作兩個高摻雜的N區，引出作為漏極D和源極S，襯底上再制作一塊絕緣層，絕緣層上在制作一層金屬電極，引出作為柵極G，即構成了常見的N溝道增強型MOS管。一般而言，襯底B和S極會連在一起，當在柵極處加正電壓時，靠近襯底的絕緣層會產生感應電荷，當感應電荷足夠多時，D和S之間形成導電溝道，只要DS之間有電壓，即可產生電流。另外，從結構上看，襯底B和S以及D之間都有一個PN結，但是B和S連在一起，所以BS之間的PN結被短路，B(S)和D之間的PN結即是的MOS的寄生二極管。(本文參考的模電書為《模擬電子技術基礎(第四版)》，高等教育出版社，童詩白，華成英主編)

圖1 N溝道增強型MOS管的結構示意圖

1. MOS管工作區的劃分

圖2 MOS管輸出特性曲線

首先介紹一下模電書上對各工作區的介紹：

夾斷區：當VGS < Vth時，MOS管導電溝道被夾斷不導通，此時ID≈0。

恒流區(飽和區)：當VDS > VGS-Vth(即VGD < Vth)時，MOS管進入恒流區，在此工作區內，VDS增大時，ID僅略微增大，因此可將ID看作是受VGS控制的電流源，當MOS管做放大管使用時，工作在此區域

可變電阻區：當VDS< VGS-Vth(即VGD > Vth)時,MOS工作在可變電阻區，在此區域中，可通過改變VGS的大小來改變MOS的導通電阻大小

關于MOS管的夾斷：當VGS為一固定值時，若在DS之間加一正向電壓，則必將產生漏極電流，并且VDS的增大會使ID增大，溝道沿源漏方向變窄，并在VDS=VGS-Vth(即VGD=Vth)時，出現預夾斷，隨著VDS繼續增大，MOS將承擔管子的壓降，但漏極電流基本不變，管子進入恒流區。

以上便是教材中對MOS工作區極夾斷現象的描述，由此，可以自然而然地提出以下問題：

1).夾斷區和MOS管的夾斷是一回事嗎?

實際不是，因為當驅動電壓小于MOS的導通門限時，MOS管是沒有形成導電溝道的。而書中對MOS管的夾斷也明確寫出MOS管出現夾斷現象時，管子工作在恒流區。為更好地區分這兩種工作狀態，在圖2中，我把這一區域稱為截止區。

2).為什么預夾斷電壓是VDS=VGS-Vth(即VGD=Vth)?

因為Vth是MOS管的導通電壓，這意味著在這個電壓下，導電溝道剛剛形成。當漏極電壓升高到VGD=Vth時，說明導電溝道靠漏極一端的電壓降到了導通電壓，所以MOS管漏極出現夾斷。

3).夾斷時，MOS管為什么由電流通過?最大漏極電流為什么由VGS確定?

當VDS大到一定程度，MOS管被完全夾斷，這其實是反型層的載流子在電場作用下迅速流動的變現而非導電溝道消失。并且，VGS大小決定了反型層的厚度，即決定了載流子的多少。在這種情況下，VDS的越增加，導電溝道的夾斷區越長，電阻越大，VDS主要用于克服導電溝道夾斷導致的電阻的上升對電流的影響，而VGS的增加則可拓寬導電溝道，所以此時的最大漏極電流由VGS確定。圖3摘錄了NDS351N
的數據手冊，可以看到，VGS一定時，導通電阻隨ID越增加而增加，這導致了VDS的上升，VGS越小，這一現象越明顯(越容易夾斷)。

圖3 MOS管器件手冊中ID-VDS和Ron-ID關系

總的來說，MOS做開關管使用時，其工作狀態在截止區和可變電阻區之間切換，做放大管使用時，工作在飽和區?，F如今，大部分的文檔對MOS的工作狀態的描述都是假設VGS不變，讓VDS增加，描述這一過程中MOS管工作狀態的變化。但當我重新回頭看這么一段描述，浮上我腦海中的最大疑問是：為什么VDS會增加?這是因為在實際的應用場景中，VDS是基本固定不變的，被操縱的一般是驅動電壓VGS。而且在作者的工作中，接觸的都是工作在開關狀態下的MOS，其導通壓降很小，很難想象VDS逐步增大的場景，所以下文將從VDS固定不變，VGS壓逐漸變大的角度分析MOS的開通過程。

2. MOS管的開通過程

關于MOS管的開通過程，網絡上有許多文檔進行分析，其來源應為一篇帶感性負載的MOS管開通過程的分析，很多轉發該文章的網文卻常常忽略了這一點，把這個過程當做了所有場景下MOS的開通過程。因此，在分析之前，先說明本文分析的前提：阻性負載下，VDS固定時，加驅動電壓VGS的情況下，MOS管的導通過程分析。(注明：由于作者水平有限，本文的分析有些推論未查證到相關文獻，如有錯誤，請指正。)

圖4 帶阻性負載的MOS管電路

帶阻性負載的MOS管電路模型如圖4所示，其在GS、GD、DS之間都有寄生電容，在DS之間還有一個寄生二極管。在t0時刻，MOS管柵極加驅動電壓VGS,其值為MOS管完全導通所需要的驅動電壓VGS(sat)，其開通過程中，VDS、VGS、ID的變化如圖5所示。分析如下：

圖5 MOS管開通過程

t0~t1：在此區間內，VGS給Cgs充電，但由于Cgs兩端電壓尚未上升到MOS管的閾值電壓，所以MOS管處于截止狀態。另外，由于VDD一直存在，所以Cgd的電壓應該是從-VGD逐漸上升的(D極電壓大于G極)。

t1~t2：t1時刻，Cgs兩端電壓大于MOS的導通壓，此時MOS管開始導通，漏極電流形成，Cgd通過MOS管開始放電，VDS也開始下降。這段時間里，VGD<0

MOS管處于夾斷狀態，工作在飽和區。

t2~t3：t2時刻，VDS兩端電壓下降到與VGS一致，此時VGD=0，MOS管進入密勒平臺，柵極電流開始給Cgd充電，由于VGD開始上升，靠近漏極一側的導電溝道逐漸變寬，MOS管夾斷現象開始消失，導電溝道的擴寬使得VDS迅速下降。到t3時刻，VGD=Vth，MOS管的VGD上升到預夾斷電壓上，此階段，MOS管依然工作在飽和區，而在密勒平臺，VGS基本不變，因此，ID無變化。

t3~t4：t3時刻后，由于VGD>Vth，MOS管進入可變電阻區，在密勒平臺的持續時間里，VDS的壓降會降至基本等于飽和導通壓降(否則柵極電流應該還是大部分會給Cgd充電，Cgs電壓不會抬高)，此時VGS不變，VDS下降，MOS管工作在可變電阻區，那么按照MOS管的工作特性曲線，ID應略有下降。

t4~t5：t4時刻，MOS管的密勒平臺結束，Cgs繼續充電至VGS(sat)，ID隨著VGS的增大而增大(導電溝道擴寬使導通電阻變小，ID上升，前提是負載足夠重)，此時MOS管飽和導通，工作在可變電阻區。

后續，若負載繼續加重，使漏極電流繼續上升，則MOS管的電流將會飽和，MOS管進入飽和區。