栅极电压,MOS管栅极开启电压图文分析-KIA MOS管

栅极简介

栅极是场效应管或MOSFET等电子器件的关键部件之一，它可以通过改变栅极与源极之间的电压来控制器件的导电性能。

栅极在电子器件中的特点：

可以通过改变其电压来控制器件的电流和电导性能。

栅极采用金属片或线网格，表面积较小，使得其灵敏度较高。

与晶体管内部的其他元件相比，栅极电容较小，对信号的响应速度较快。

栅极结构简单，易于制造和集成在芯片中。

场效应管（MOS管）栅极

场效应管根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件。

所有的FET都有栅极、漏极（drain）、源极（source）三个端，分别大致对应双极性晶体管的基极（base）、集电极（collector）和发射极（emitter）。除了结型场效应管外，所有的FET也有第四端，被称为体（body）、基（base）、块体（bulk）或衬底（substrate）。这个第四端可以将晶体管调制至运行；在电路设计中，很少让体端发挥大的作用，但是当物理设计一个集成电路的时候，它的存在就是重要的。

在图1中栅极的长度（length）L，是指源极和漏极的距离。宽度（width）是指晶体管的范围，在图1中和横截面垂直。通常情况下宽度比长度大得多。长度1微米的栅极限制最高频率约为5GHz，0.2微米则是约30GHz。

这些端的名称和它们的功能有关。栅极可以被认为是控制一个物理栅的开关。这个栅极可以通过制造或者消除源极和漏极之间的沟道，从而允许或者阻碍电子流过。如果受一个外加的电压影响，电子流将从源极流向漏极。体很简单的就是指栅极、漏极、源极所在的半导体的块体。

通常体端和一个电路中最高或最低的电压相连，根据类型不同而不同。体端和源极有时连在一起，因为有时源也连在电路中最高或最低的电压上。当然有时一些电路中FET并没有这样的结构，比如级联传输电路和串叠式电路。

MOS管栅极开启电压分析

控制机理上MOS-FET的栅极与管子的其余部分绝缘，靠栅源极电压来控制载流子运动。N-MOSFET是一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，并在源极S和漏极D两个区域制作两个掺杂浓度较高的N型半导体区域，通过欧姆电极与源极和漏极相连。

由图可以看出，栅极G和S、D极之间是有一层二氧化硅，因此，栅极与管子的其余部分绝缘。所以，这种FET称为绝缘栅型场效应管。在底层的金属衬底上引出电极B，称为背面栅极。

那么，栅极和其他部分绝缘，是如何影响载流子的运动的呢？答案就是电场，见下图。

当Ugs=0时，MOS-FET就是两个共阳极的二极管，B极是公共阳极，S、D极是两个阴极。这时，不管S、D之间加何种极性电压（当然不能超过最大耐压），都不会有电流产生，此时可认为MOS-FET是截止的。

当背栅极B与源极短接，并给G、S极间加上正电压，如上图所示，那么就会形成一个与P-衬底相垂直的电场。当Ugs超过某个临界值，垂直电场到达一定强度，较多的电子被吸引到P型硅表面，在两个N型半导体区域之间形成导电的N沟道，这样S、D极的N沟道形成一体，与下面的P型硅形成PN结。

此时，在D、S间施加正向电压，PN结反向截止，所以，D、S、N沟道区下面存在一层耗尽区，与背栅极衬底隔离开。那么，此时D、S极间，就会有不经过衬底的电流，通过N沟道由漏区到达源区，形成漏电流Id。那么，我们就把刚开始出现N沟道的Ugs称为开启电压。

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