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MOS管的工作原理及表示符号

根据导(dao)(dao)通沟(gou)(gou)道(dao)(dao)的(de)载流子(zi)性质MOS管(guan)可分为NMOS管(guan)（即(ji)N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)MOS管(guan)）与PMOS管(guan)（即(ji)P沟(gou)(gou)道(dao)(dao)MOS管(guan)）。NMOS管(guan)是指(zhi)(zhi)其导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)中的(de)导(dao)(dao)电(dian)电(dian)荷(he)为电(dian)子(zi)，而PMOS管(guan)则(ze)是指(zhi)(zhi)其导(dao)(dao)电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)中的(de)导(dao)(dao)电(dian)电(dian)荷(he)为空穴。

根据沟(gou)道的(de)导通条件（MOS管(guan)的(de)栅(zha)／源(yuan)电(dian)压(ya)VGS为(wei)(wei)(wei)0时是否存在导通沟(gou)道）MOS管(guan)又可分(fen)为(wei)(wei)(wei)增强(qiang)型(xing)MOS管(guan)与耗(hao)尽(jin)型(xing)MOS管(guan)两类(lei)：增强(qiang)型(xing)MOS管(guan)足指(zhi)在MOS管(guan)的(de)栅(zha)/源(yuan)电(dian)压(ya)VGS为(wei)(wei)(wei)0时没有导电(dian)沟(gou)道，而必须(xu)依靠(kao)栅(zha)／源(yuan)电(dian)压(ya)的(de)作(zuo)用，才能(neng)形成感生沟(gou)道的(de)MOS管(guan)；耗(hao)尽(jin)型(xing)

MOS管(guan)(guan)则是指即(ji)使(shi)在(zai)MOS管(guan)(guan)栅／源电(dian)压VGS为(wei)0时也存(cun)在(zai)导电(dian)沟(gou)道(dao)的(de)(de)MOS管(guan)(guan)。这两类MOS管(guan)(guan)的(de)(de)基(ji)本工作原理一致，都(dou)是利用栅／源电(dian)压的(de)(de)大小来改(gai)变(bian)半导体表面感生电(dian)荷(he)的(de)(de)多少，从而控(kong)制(zhi)漏极电(dian)流的(de)(de)大小。所(suo)以MOS管(guan)(guan)可以分为(wei)四类：增(zeng)强(qiang)型(xing)NMOS管(guan)(guan)、耗(hao)尽型(xing)NMOS管(guan)(guan)、增(zeng)强(qiang)型(xing)PMOS管(guan)(guan)及耗(hao)尽型(xing)PMOS管(guan)(guan)。

 下面以增强(qiang)型NMOS管(guan)与耗(hao)尽型NMOS管(guan)为例说明MOS管(guan)的工(gong)作原理。

1．增强型NMOS管的工作原理

当 NMOS管的(de)(de)(de)栅极(ji)(ji)(ji)与源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)短接（即NMOS管的(de)(de)(de)栅／源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)压VGS=O）时，源(yuan)(yuan)区（N+型(xing)(xing)）、衬(chen)(chen)底（P型(xing)(xing)）和漏(lou)区（N+型(xing)(xing)）形成两个(ge)背靠背的(de)(de)(de)PN结(jie)，不管NMOS管的(de)(de)(de)漏(lou)／源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)压VDS的(de)(de)(de)极(ji)(ji)(ji)性如何，其中总(zong)有一个(ge)PN结(jie)是(shi)(shi)反偏(pian)(pian)的(de)(de)(de)，所以NMOS管源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)与漏(lou)极(ji)(ji)(ji)之(zhi)间的(de)(de)(de)电(dian)(dian)阻主要为(wei)PN结(jie)的(de)(de)(de)反偏(pian)(pian)电(dian)(dian)阻，基本无电(dian)(dian)流流过，即NMOS管的(de)(de)(de)漏(lou)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流ID为(wei)0。例(li)如，如果NMOS管的(de)(de)(de)源(yuan)(yuan)极(ji)(ji)(ji)s与衬(chen)(chen)底相连，并接到系统(tong)的(de)(de)(de)最低电(dian)(dian)位，而(er)漏(lou)极(ji)(ji)(ji)接电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)正极(ji)(ji)(ji)时，漏(lou)极(ji)(ji)(ji)和衬(chen)(chen)底之(zhi)间的(de)(de)(de)PN结(jie)是(shi)(shi)反偏(pian)(pian)的(de)(de)(de)，此时漏(lou)／源(yuan)(yuan)之(zhi)间的(de)(de)(de)电(dian)(dian)阻很大，没(mei)有形成导电(dian)(dian)沟道。

若在NMOS管的栅／源之间加l正向电压VGS（即NMOS管的栅极接高电位，源极接低电位），则栅极和P型衬底之间就形成了以栅氧（即二氧化硅）为介质的平板电容器。在正的栅／源电压作用下，介质中产生了一个垂直于硅片表面的由栅极指向P型衬底的强电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅／源电压VGS，也可产生高达lO5-lO6V/cm数量的强电场），这个强电场会排斥衬底表面的空穴而吸引电子，因此，使NMOS管栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形成了耗尽层，同时P型衬底中的少子（电子）被吸引P衬底表面，如图1.3(a)所示。当正的栅／源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，通常把这个在P型硅表面形成的N型薄层称为反型层，这个反型层实际上就构成厂源极和漏极间的N型导电沟道，如图1.3(b)所示。由于它是栅／源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。显然，栅／源电压VGS正得越多，则作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P型硅表面的电子就越多，感应沟道（反型层）将越厚，沟道电阻将越小。
感应沟(gou)道(dao)形成后，原来被P型衬底隔开(kai)的(de)两个N+型区(qu)（源(yuan)(yuan)区(qu)和漏(lou)(lou)(lou)区(qu)）就通(tong)过(guo)感应沟(gou)道(dao)连接生一起。因此(ci)，在正的(de)漏(lou)(lou)(lou)／源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)作(zuo)用(yong)下，电(dian)(dian)(dian)(dian)子将从源(yuan)(yuan)区(qu)流向漏(lou)(lou)(lou)区(qu)，产生了漏(lou)(lou)(lou)极电(dian)(dian)(dian)(dian)流ID。一般把(ba)生漏(lou)(lou)(lou)/源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)作(zuo)用(yong)下开(kai)始导(dao)电(dian)(dian)(dian)(dian)时的(de)栅/源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)叫做NMOS管阈值电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)（或开(kai)启电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)）Vth。

当NMOS管的(de)栅／源电(dian)压(ya)VGS大丁等于Vth时，外加(jia)较小的(de)漏(lou)／源电(dian)压(ya)VDS时，漏(lou)极(ji)(ji)电(dian)流ID将随VDS上升(sheng)迅速增大，此时为线性区(qu)（也可称为三极(ji)(ji)管区(qu)），但由于沟(gou)道存在电(dian)位梯度，即NMOS管的(de)栅极(ji)(ji)与沟(gou)道间的(de)电(dian)位差从漏(lou)极(ji)(ji)到源极(ji)(ji)逐步(bu)增大，凶此所形成的(de)沟(gou)道厚度是不(bu)均匀的(de)，靠近源端(duan)的(de)沟(gou)道厚，而(er)靠近漏(lou)端(duan)的(de)沟(gou)道薄。

当VDS增大到一定数值，即VGD=Vth时，靠近漏端的沟道厚度接近为0，即感应沟道在漏端被夹断，如图1.3(c)所示；VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，如图1.3(d)所示。沟道被夹断后，VDS上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和而不再增加，此时NMOS管工作在饱和区，在模拟集成电路中饱和区是NMOS管的主要工作区。要注意，此时沟道虽产生了灾断，但由于漏极与沟道之间存在强电场，电子在该电场作用下被吸收到漏区而形成了从源区到漏区的电流。

另外(wai)，当(dang)VGS增加(jia)时，由于感应(ying)沟道变厚，沟道电阻减(jian)小，饱和漏(lou)极电流会相应(ying)增大(da)。

若VDS大于某(mou)一击穿(chuan)(chuan)(chuan)电(dian)压(ya)BVDS（二极管的(de)反(fan)向击穿(chuan)(chuan)(chuan)电(dian)压(ya)），漏(lou)极与衬(chen)底之间的(de)PN结发生(sheng)反(fan)向击穿(chuan)(chuan)(chuan)，ID将急剧增(zeng)加(jia)，进入雪崩区，漏(lou)极电(dian)流不经过(guo)沟道，而直接由漏(lou)极流入衬(chen)底。

注意(yi)与双极型晶体管(guan)相比，一(yi)个MOS管(guan)只(zhi)要形成了导电(dian)(dian)沟道，即使(shi)在无电(dian)(dian)流流过时(shi)也可以认为是开(kai)通的。

2．耗尽型NMOS管的工作原理

耗(hao)尽型NMOS管的(de)(de)几何结构与增强型相同。但在制造时，在二氧化(hua)硅绝(jue)缘(yuan)层(ceng)中(zhong)掺(chan)入(ru)大量的(de)(de)正(zheng)离子，根据电(dian)(dian)(dian)荷感应原理，即(ji)使在VGS=O时，由(you)于(yu)正(zheng)离子的(de)(de)作用，在源(yuan)区(qu)和漏(lou)(lou)区(qu)之(zhi)间(jian)的(de)(de)P型衬底上(shang)感应出较多(duo)的(de)(de)负电(dian)(dian)(dian)荷（电(dian)(dian)(dian)子），形(xing)(xing)成N型沟(gou)道(dao)(dao)，因此(ci)即(ji)使栅／源(yuan)电(dian)(dian)(dian)压为零时，在正(zheng)的(de)(de)VDS作用下，也存在较大的(de)(de)漏(lou)(lou)极电(dian)(dian)(dian)流(liu)ID。如(ru)果所(suo)加的(de)(de)栅／源(yuan)电(dian)(dian)(dian)压VGS为负，则(ze)会使沟(gou)道(dao)(dao)中(zhong)感应的(de)(de)负，U荷减少，从而使漏(lou)(lou)极电(dian)(dian)(dian)流(liu)减小(xiao)，所(suo)以称为耗(hao)尽型NMOS管，当(dang)栅／源(yuan)电(dian)(dian)(dian)胀r。s更负时，则(ze)会使之(zhi)不能(neng)感应出负电(dian)(dian)(dian)荷，因而不能(neng)形(xing)(xing)成感应沟(gou)道(dao)(dao)，此(ci)时的(de)(de)栅／源(yuan)电(dian)(dian)(dian)压VGS称为耗(hao)尽型NMOS管的(de)(de)关断(duan)电(dian)(dian)(dian)压。当(dang)VGS>O时，由(you)于(yu)绝(jue)缘(yuan)层(ceng)的(de)(de)存在，在沟(gou)道(dao)(dao)中(zhong)感应出更多(duo)的(de)(de)负电(dian)(dian)(dian)荷，在VDS作用下，将形(xing)(xing)成更人的(de)(de)漏(lou)(lou)电(dian)(dian)(dian)流(liu)ID。

对于增强(qiang)型(xing)(xing)(xing)PMOS管(guan)(guan)与耗(hao)尽型(xing)(xing)(xing)PMOS管(guan)(guan)的(de)工(gong)作(zuo)原现与N沟道MOS管(guan)(guan)相类似，不同之处在于：它所形(xing)成的(de)是P沟道，且增强(qiang)型(xing)(xing)(xing)PMOS管(guan)(guan)的(de)阈值电压(ya)为(wei)负值，以便(bian)感应出正电荷，形(xing)成P沟道；耗(hao)尽型(xing)(xing)(xing)PMOS管(guan)(guan)的(de)关(guan)断电压(ya)为(wei)正值。

由以上分(fen)析可知，与双极(ji)型晶体(ti)管(guan)不同，MOS管(guan)中(zhong)参(can)(can)与导电(dian)(dian)的(de)(de)只有一种(zhong)电(dian)(dian)荷，即NMOS管(guan)参(can)(can)与导电(dian)(dian)的(de)(de)是(shi)电(dian)(dian)子，而(er)PMOS管(guan)参(can)(can)与导电(dian)(dian)的(de)(de)是(shi)空八。MOS管(guan)的(de)(de)工作状态根据漏极(ji)电(dian)(dian)流的(de)(de)变(bian)化可大约分(fen)为(wei)三种(zhong)情(qing)况，即截(jie)止区（ID为(wei)o）、线(xian)性区（ID随VDS几乎线(xian)性变(bian)化）、饱和区(ID与VDS基本(ben)无关(guan)，保持不变(bian))。

3．MOS管表示符号

NMOS管与PMOS管有很多(duo)种代表(biao)(biao)符(fu)号，但最具典型的符(fu)号如图(tu)1.4所示(shi)。图(tu)1·4(a)表(biao)(biao)示(shi)为四(si)端器件，建(jian)议(yi)在模拟集成(cheng)电路采用此类表(biao)(biao)示(shi)符(fu)号。

在大部分(fen)(fen)电路中，NMOS管(guan)(guan)与(yu)(yu)PMOS管(guan)(guan)的(de)衬(chen)底端一般分(fen)(fen)别接(jie)到地(di)(di)与(yu)(yu)电源(yuan)，所以可(ke)用三端器(qi)件[如图1.4(b)所示]，即在集成电路中如采用图1.4(b)所示的(de)符(fu)号，则表示NMOS管(guan)(guan)与(yu)(yu)PMOS管(guan)(guan)的(de)衬(chen)底分(fen)(fen)别默认(ren)为接(jie)地(di)(di)与(yu)(yu)接(jie)电源(yuan)。

另(ling)外，在(zai)NMOS路中(zhong)，也常用如图(tu)1.4(c)所示的(de)开关(guan)符号来(lai)描述(shu)。图(tu)1.4(d)所示的(de)符号为耗尽型NMOS管和PMOS管。

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