/slzlly/blog/item/dc861508f1bfe935e8248853.htmlMOS管工作原理（轉）2008-07-1207:06雙極型品體管把輸入端電流的微小變化放大后，在輸出端輸出一個大的電流變化。雙極型品體管的增益就（beta）。另一種晶體管，叫做場效應管（FET），把輸入電壓的變化轉化為輸出電流的變化。分別為電流控制;增益等于它的跨導（transconductance）gm，定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。場效應管的名字也來源于它的輸入端柵（稱為gate），通過投影一個電場在一個絕緣層（氧化物SIO2）上來實上沒有電流流過這個絕緣體（只是一個電容的作用），所以FET管的GATE電流非常小（電容的電流損耗）。j硅來作為GATE極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導體（MOS）晶體管，或,金屬氧化物半導體場效應管semicondutorfieldeffecttransistor）。因為MOS管更小更省電，所以他們已經在很多應用場合取代了雙極首先考察一個更簡單的器件一MOS電容一能更好的理解MOS管。這個器件有兩個電極，一個是金屬，另一個是他們之間由一薄層二氧化硅分隔開（圖1.22A）。金屬極就是GATE，而半導體端就是backgate或者bodyorbu的絕緣氧化層稱為gatedielectric。圖示中的器件有一個輕摻雜P型硅做成的backgate。這個MOS電容的電*gate接不同的電壓來說明。圖1.22A中的MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導體BACKGATE在WORKFU上）上的差異在電介質（氧化層的上下）上產生了一個小電場。圖示的器件中，這個電場使金屬極帶輕微的正電的空穴多，電子少，故需要從別處〃搶來〃電子，所以氧化物處電子少了，故GATE極帶正電），P型硅負電位（才硅中底層的電子吸引到表面來，它同時把空穴排斥出表面。這個電場太弱了，所以載流子濃度的變化非常小，對小。圖1.22B中是當MOS電容的GATE相對于BACKGATE正偏置（PN結）時發生的情況。穿過GATEDIELECTRIC白從襯底被拉了上來。同時，空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高，會出現表面的電子比空穴多的情況。由」就像N型硅。摻雜極性的反轉被稱為〃反型"（inversion），反轉的硅層叫做channel（NPmos的命名就是根據這里續不斷升高，越來越多的電子在表面積累,channel變成了強反轉。Channel形成時的電壓被稱為閾值電壓Vt。：壓差小于閾值電壓時，不會形成channelo當電壓差超過閾值電壓時，channel就出現了。（其實還有個亞閾值:流子，也有電子通道，不過很小一般忽略，此時耗盡層的負電荷占據主要，以映像柵上的電壓）。

圖1.22MOS電容：（A）未偏置（Vbg=0V）,（B）反轉（Vbg=3V）,（C）積累（Vbg=-3V）。圖1.22C中是當MOS電容的GATE相對于backgate是負電壓時的情況（就好像給二極管的PN結加上正電J空穴排斥電子。硅表層看上去更重的摻雜了，這個器件被認為是處于accumulation（電荷積累）狀態了。MOS電容的特性能被用來形成MOS管。圖1.23A是最終器件的截面圖。Gate,電介質和backgate保持原外的選擇性摻雜的區域。其中一個稱為source,另一個稱為drain。假設source和backgate都接地，drain接正的電壓仍舊小于閾值電壓，就不會形成channeloDrain和backgate之間的PN結反向偏置，所以只有很小的電Z果GATE電壓超過了閾值電壓，在GATE電介質下就出現了channelo這個channel就像一薄層短接drain和sou電流從source通過channel流到drain。總的來說，只有在gate對source電壓V超過閾值電壓Vt時，才會彳圖1.23MOSFET晶體管的截面圖：NMOS(A)和PMOS(B)。在圖中，S=Source,G=Gate,D=Drain。雖有說明。MOS管的source和drain是可以對調的，他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下，兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。在對稱的MOS管中，對soure和drain的標注有子流出source，流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置來決定了。有時晶體管上的偏置電壓】相對換角色。這種情況下，電路設計師必須指定一個是drain另一個則是sourceoSource和drain不同摻雜不同幾何形狀的就是非對稱MOS管。制造非對稱品體管有很多理由，但所有的:線端被優化作為drain，另一個被優化作為source。如果drain和source對調，這個器件就不能正常工作了。圖1.23A中的晶體管有N型channel所有它稱為N-channelMOS管，或NMOS。P-channelMOS(PMOS)彳個由輕摻雜的N型BACKGATE和P型source和drain組成的PMOS管。如果這個品體管的GATE相對于BACKGATE一面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累，沒有channel形成。如果GATE相對于BACKGATE反向偏置，空穴被U因此PMOS管的閾值電壓是負值。由于NMOS管的閾值電壓是正的，PMOS的閾值電壓是負的，所以工程師們通常￡一個工程師可能說，“PMOSVt從0.6V上升到0.7V”，實際上PMOS的Vt是從-0.6V下降到-0.7V。N溝道增強型MOS管的工作原理N溝道增強型MOS管的工作原理1.vGS對iD及溝道的控制作用

MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠前已連接好)。從圖1(a)可以看出，增強型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個背靠背的PN結。當柵-源電壓vGS=0時，即使加上漏-源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個PN結處于反偏狀態，漏-源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流iD^0。(a)若在柵-源極間加上正向電壓，即vGS>0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場，這個電場能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動的受主離子(負離子)，形成耗盡層，同時P襯底中的電子(少子)被吸引到襯底表面。當vGS數值較小，吸引電子的能力不強時，漏-源極之間仍無導電溝道出現，如圖1(b)所示。vGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當vGS達到某一數值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區相連通，在漏-源極間形成N型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，用VT表示。(a)(b)懿燼層N型(感生〉溝道P襯底引踐(c)圖1由上述分析可知，N溝道增強型MOS管在vGSVVT時，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態。只有當vGSNVT時，才有溝道形成，此時在漏-源極間加上正向電壓vDS，才有漏極電流產生。而且vGS增大時，溝道變厚，溝道電阻減小，iD增大。這種必須在vGSNVT時才能形成導電溝道的MOS(b)懿燼層N型(感生〉溝道P襯底引踐(c)圖12.vDS對iD的影響再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為vGD二vGS-vDS，因而這里溝道最薄。但當vDS較小(vDS<vGS-VT)時，它對溝道的影響不大，這時只要vGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨vDS近似呈線性變化。如圖2(a)所示，當vGS>VT且為一確定值時，漏-源電壓vDS對導電溝道及電流iD的影響與結型場效應管相似。漏極電流iD沿溝道產生的電壓降使溝道內