增强型NMOS管的工作原理

当NMOS管的栅极(ji)与(yu)源(yuan)极(ji)短接（即(ji)NMOS管的栅／源(yuan)电(dian)(dian)压VGS=O）时(shi)，源(yuan)区（N+型）、衬底(P型)和漏(lou)区(N+型)形成(cheng)两个背靠背的PN结，不管NMOS管的漏(lou)／源(yuan)电(dian)(dian)压VDS的极(ji)性如何(he)，其中总有(you)一个PN结是反偏的，所以NMOS管源(yuan)极(ji)与(yu)漏(lou)极(ji)之(zhi)间(jian)(jian)的电(dian)(dian)阻(zu)主要为(wei)PN结的反偏电(dian)(dian)阻(zu)，基本(ben)无电(dian)(dian)流(liu)流(liu)过，即(ji)NMOS管的漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)ID为(wei)0。例如，如果NMOS管的源(yuan)极(ji)S与(yu)衬底相连，并接到(dao)系统的最低电(dian)(dian)位，而漏(lou)极(ji)接电(dian)(dian)源(yuan)正极(ji)时(shi)，漏(lou)极(ji)和衬底之(zhi)间(jian)(jian)的PN结是反偏的，此时(shi)漏(lou)、源(yuan)之(zhi)间(jian)(jian)的电(dian)(dian)阻(zu)很大(da)，没(mei)有(you)形成(cheng)导电(dian)(dian)沟(gou)道。

若(ruo)在(zai)NMOS管的(de)(de)栅／源(yuan)之(zhi)间加(jia)上(shang)止(zhi)向电(dian)(dian)压(ya)(ya)VGS（即(ji)NMOS管的(de)(de)栅极(ji)接(jie)高电(dian)(dian)位(wei)，源(yuan)极(ji)接(jie)低电(dian)(dian)位(wei)），则栅极(ji)和P型衬(chen)底(di)之(zhi)间就形成了(le)以栅氧(yang)（即(ji)二(er)氧(yang)化硅）为介质(zhi)的(de)(de)平板(ban)电(dian)(dian)容器(qi)。在(zai)正(zheng)的(de)(de)栅源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)作用下(xia)，介质(zhi)中产(chan)生了(le)一个(ge)(ge)垂(chui)直于(yu)硅片表(biao)面(mian)的(de)(de)由(you)栅极(ji)指向P型衬(chen)底(di)的(de)(de)强(qiang)电(dian)(dian)场(chang)(chang)（由(you)于(yu)绝缘层(ceng)很薄，即(ji)使(shi)只(zhi)有儿伏(fu)的(de)(de)栅／源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)VGS，也(ye)可产(chan)生高达105~106V/cm数量级(ji)的(de)(de)强(qiang)电(dian)(dian)场(chang)(chang)），这(zhei)个(ge)(ge)强(qiang)电(dian)(dian)场(chang)(chang)会排斥衬(chen)底(di)表(biao)面(mian)的(de)(de)空(kong)穴而(er)吸引电(dian)(dian)子，因此，使(shi)NMOS管栅极(ji)附近的(de)(de)P型衬(chen)底(di)中的(de)(de)空(kong)穴被排斥，留下(xia)不能(neng)移动的(de)(de)受(shou)主(zhu)离子（负离子），形成了(le)耗尽(jin)层(ceng)，同时(shi)P型衬(chen)底(di)中的(de)(de)少子（电(dian)(dian)子）被吸引到(dao)衬(chen)底(di)表(biao)面(mian)，如图1.3(a)所示。当正(zheng)的(de)(de)栅／源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)(ya)达到(dao)一定数值时(shi)，这(zhei)些电(dian)(dian)子在(zai)

栅极(ji)(ji)附近的P型(xing)硅(gui)表面(mian)便形成(cheng)了一(yi)个(ge)N型(xing)薄层，通(tong)常把这个(ge)在(zai)P型(xing)硅(gui)表面(mian)形成(cheng)的N型(xing)薄层称为反型(xing)层，这个(ge)反型(xing)层实际上就构(gou)成(cheng)了源极(ji)(ji)和漏(lou)极(ji)(ji)间(jian)的N型(xing)导电(dian)沟道，如图1.3(b)所示(shi)。

由于它(ta)是栅／源止电压感(gan)应产生的(de)，所以也称感(gan)生沟道。显然，栅／源电压VGs止得越(yue)多，则作用于半(ban)导体表面(mian)的(de)电场就越(yue)强，吸引到P型(xing)硅表面的电子(zi)就(jiu)越多(duo)，感应沟(gou)道(dao)（反型(xing)层）将越厚，沟(gou)道(dao)电阻将越小。

感应沟道形成(cheng)后，原来被P型(xing)(xing)衬底隔(ge)开(kai)(kai)的(de)两个N+型(xing)(xing)区(qu)（源区(qu)和漏区(qu)）就通过(guo)感应沟道连接(jie)在(zai)一起。因(yin)此，在(zai)正的(de)漏／源电(dian)(dian)(dian)压(ya)作(zuo)用下，电(dian)(dian)(dian)子将从源区(qu)流向漏区(qu)，产生了(le)漏极电(dian)(dian)(dian)流ID。一般把在(zai)漏源电(dian)(dian)(dian)压(ya)作(zuo)用下开(kai)(kai)始(shi)导电(dian)(dian)(dian)时的(de)栅／源电(dian)(dian)(dian)压(ya)叫做(zuo)NMOS管(guan)的(de)阈值电(dian)(dian)(dian)压(ya)（或开(kai)(kai)启电(dian)(dian)(dian)压(ya)）Vth。

当NMOS管的(de)(de)(de)栅／源(yuan)电压VGS大于(yu)等于(yu)Vth时(shi)，外加较小的(de)(de)(de)漏(lou)／源(yuan)电压VDS时(shi)，漏(lou)极电流ID将随VDS上升迅(xun)速增大，此时(shi)为(wei)线性区(也可称为(wei)三极管区)，但由于(yu)沟(gou)(gou)(gou)道存(cun)在电位梯度，即(ji)NMOS管的(de)(de)(de)栅极与(yu)沟(gou)(gou)(gou)道间的(de)(de)(de)电位差从(cong)漏(lou)极到源(yuan)极逐步增大，因此所(suo)形成的(de)(de)(de)沟(gou)(gou)(gou)道厚(hou)度是(shi)不均匀的(de)(de)(de)，靠近源(yuan)端的(de)(de)(de)沟(gou)(gou)(gou)道厚(hou)，而(er)靠近漏(lou)端的(de)(de)(de)沟(gou)(gou)(gou)道薄。

当(dang)VDS增大到一定数值，即(ji)VGD=Vth时，靠近(jin)漏端(duan)的(de)(de)沟(gou)道(dao)(dao)厚(hou)度接(jie)近(jin)为o，即感应沟(gou)道(dao)(dao)在漏端(duan)被夹(jia)(jia)断，如图1.3(c)所示(shi)：VDS继(ji)续增加，将形成一(yi)夹(jia)(jia)断区(qu)(qu)(qu)，且夹(jia)(jia)断点向源极(ji)靠近(jin)，如图1.3(d)所示(shi)。沟(gou)道(dao)(dao)被夹(jia)(jia)断后(hou)，VDS上(shang)(shang)升(sheng)时，其增加的(de)(de)电(dian)压基本上(shang)(shang)加在沟(gou)道(dao)(dao)厚(hou)度为零的(de)(de)耗(hao)尽区(qu)(qu)(qu)上(shang)(shang)，而(er)沟(gou)道(dao)(dao)两端(duan)的(de)(de)电(dian)压保持不变，所以ID于饱和而(er)不再增加，此时NMOS管工(gong)作(zuo)(zuo)在饱和区(qu)(qu)(qu)，在模拟(ni)集成电(dian)路(lu)巾饱和区(qu)(qu)(qu)是NMOS管的(de)(de)主要(yao)工(gong)作(zuo)(zuo)区(qu)(qu)(qu)。要(yao)注意，此时沟(gou)道(dao)(dao)虽产生了(le)灾断，但由于漏极(ji)与(yu)沟(gou)道(dao)(dao)之间(jian)存在强电(dian)场(chang)，电(dian)子(zi)在该电(dian)场(chang)作(zuo)(zuo)用下(xia)被吸收到(dao)漏区(qu)(qu)(qu)而(er)形成了(le)从源区(qu)(qu)(qu)到(dao)漏区(qu)(qu)(qu)的(de)(de)电(dian)流。

另外(wai)，当(dang)VGS增加时，由丁感应(ying)沟道变(bian)厚，沟道电(dian)阻减(jian)小，饱和(he)漏极电(dian)流会相应(ying)增大(da)。

若Vns人于(yu)某一击(ji)穿电(dian)(dian)压BVus（二极管的反向(xiang)击(ji)穿电(dian)(dian)压），漏(lou)极与衬底(di)之间的PN结发(fa)生反向(xiang)击(ji)穿，ID将急剧增(zeng)加，进入雪崩区(qu)，漏(lou)极电(dian)(dian)流不经过沟道(dao)，而直接(jie)由(you)漏(lou)极流入衬底(di)。

注意(yi)与(yu)双极型晶(jing)体(ti)管(guan)相比，一(yi)个MOS管(guan)只要形成了导(dao)，t1沟道(dao)，即使在无电流(liu)流(liu)过(guo)时也(ye)可以认为是开通的。

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