MOS管工作原理动画(hua)

绝缘(yuan)型场(chang)效应管(guan)的栅极(ji)与(yu)源极(ji)、栅极(ji)和漏极(ji)之间(jian)均采(cai)用(yong)SiO2绝缘(yuan)层隔离(li)，因此而得名。又(you)因栅极(ji)为(wei)金属铝(lv)，故又(you)称为(wei)MOS管(guan)。它的栅极(ji)-源极(ji)之间(jian)的电阻比结型场(chang)效应管(guan)大(da)得多，可达1010Ω以上，还因为(wei)它比结型场(chang)效应管(guan)温(wen)度稳定性好(hao)、集成化时温(wen)度简(jian)单，而广泛(fan)应用(yong)于大(da)规(gui)模和超(chao)大(da)规(gui)模集成电路中。

与结(jie)型(xing)场效应管(guan)(guan)相同，MOS管(guan)(guan)工作原(yuan)理动画(hua)示(shi)意图也有N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道和P沟(gou)(gou)(gou)(gou)道两类，但每一类又分为增(zeng)强(qiang)型(xing)和耗(hao)尽型(xing)两种，因(yin)此MOS管(guan)(guan)的(de)四(si)种类型(xing)为：N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道增(zeng)强(qiang)型(xing)管(guan)(guan)、N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道耗(hao)尽型(xing)管(guan)(guan)、P沟(gou)(gou)(gou)(gou)道增(zeng)强(qiang)型(xing)管(guan)(guan)、P沟(gou)(gou)(gou)(gou)道耗(hao)尽型(xing)管(guan)(guan)。凡(fan)栅极-源(yuan)极电(dian)压(ya)UGS为零(ling)时漏(lou)极电(dian)流也为零(ling)的(de)管(guan)(guan)子(zi)均(jun)属于(yu)增(zeng)强(qiang)型(xing)管(guan)(guan)，凡(fan)栅极-源(yuan)极电(dian)压(ya)UGS为零(ling)时漏(lou)极电(dian)流不为零(ling)的(de)管(guan)(guan)子(zi)均(jun)属于(yu)耗(hao)尽型(xing)管(guan)(guan)。

根据导电方式的(de)不同，MOSFET又(you)分(fen)增强(qiang)型、耗尽型。所(suo)谓增强(qiang)型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的(de)VGS后，多数(shu)载流(liu)子被吸引到栅极，从而“增强(qiang)”了该区域(yu)的(de)载流(liu)子，形成导电沟道。

N沟道增强型MOSFET基本上是一(yi)种左右对(dui)称(cheng)的(de)拓扑结(jie)构，它是在P型半(ban)导(dao)体上生成一(yi)层SiO2 薄膜绝缘层，然后(hou)用(yong)光刻工艺扩散(san)两个高掺杂的(de)N型区(qu)(qu)，从N型区(qu)(qu)引出(chu)电极，一(yi)个是漏极D，一(yi)个是源(yuan)极S。在源(yuan)极和漏极之间的(de)绝缘层上镀一(yi)层金属铝作为(wei)栅极G。

当VGS＝0 V时(shi)，漏源之(zhi)间(jian)相当两个背靠背的二极管(guan)，在D、S之(zhi)间(jian)加(jia)上电(dian)压不会在D、S间(jian)形成电(dian)流。

当(dang)栅(zha)(zha)(zha)极加有(you)电(dian)压时，若(ruo)0＜VGS＜VGS(th)时，通(tong)过栅(zha)(zha)(zha)极和(he)衬底间形成(cheng)的(de)(de)(de)电(dian)容电(dian)场作用，将靠近(jin)栅(zha)(zha)(zha)极下方的(de)(de)(de)P型半导体中的(de)(de)(de)多子(zi)空穴向(xiang)下方排斥，出现了一(yi)薄层(ceng)(ceng)负离子(zi)的(de)(de)(de)耗(hao)尽层(ceng)(ceng)；同(tong)时将吸引(yin)其中的(de)(de)(de)少(shao)子(zi)向(xiang)表(biao)层(ceng)(ceng)运动，但数量有(you)限，不足(zu)以(yi)形成(cheng)导电(dian)沟道，将漏极和(he)源极沟通(tong)，所以(yi)仍(reng)然不足(zu)以(yi)形成(cheng)漏极电(dian)流ID。

进一步增(zeng)加VGS，当(dang)(dang)VGS＞VGS(th)时(shi)(shi)（ VGS(th)称为(wei)开启电(dian)(dian)压），由于此时(shi)(shi)的栅极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)压已经比较强，在(zai)靠近(jin)栅极(ji)(ji)(ji)下方的P型(xing)半导体表层中(zhong)聚集较多的电(dian)(dian)子(zi)，可以(yi)形(xing)成沟道，将漏(lou)极(ji)(ji)(ji)和源极(ji)(ji)(ji)沟通。如果(guo)此时(shi)(shi)加有漏(lou)源电(dian)(dian)压，就可以(yi)形(xing)成漏(lou)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流(liu)ID。在(zai)栅极(ji)(ji)(ji)下方形(xing)成的导电(dian)(dian)沟道中(zhong)的电(dian)(dian)子(zi)，因与P型(xing)半导体的载流(liu)子(zi)空穴极(ji)(ji)(ji)性相反,故称为(wei)反型(xing)层。随着VGS的继续增(zeng)加,ID将不断增(zeng)加。在(zai)VGS＝0V时(shi)(shi)ID＝0，只(zhi)有当(dang)(dang)VGS＞VGS(th)后(hou)才会出(chu)现漏(lou)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流(liu)，所以(yi),这(zhei)种MOS管(guan)称为(wei)增(zeng)强型(xing)MOS管(guan)。

VGS对漏极电流的控制关系可(ke)用iD＝f(VGS(th))|VDS=const这(zhei)一曲线(xian)描述，称为转移特(te)性(xing)曲线(xian)，MOS管工(gong)作原理动画见图1.。

转移特性曲线的斜(xie)率(lv)gm的大小(xiao)反映了栅源电压对漏(lou)极电流的控(kong)制(zhi)作用。 gm的量纲为(wei)mA/V，所(suo)以gm也称(cheng)为(wei)跨导。跨导。

图1. 转移特性曲线(xian)

MOS管工作原(yuan)理动(dong)画2—54（a）为(wei)(wei)N沟(gou)道(dao)增强型(xing)MOS管工作原(yuan)理动(dong)画图(tu)，其电路符(fu)号(hao)如图(tu)2—54（b）所示。它是用(yong)一(yi)块掺杂(za)(za)浓(nong)度(du)较低(di)的P型(xing)硅片(pian)作为(wei)(wei)衬(chen)(chen)(chen)底(di)，利(li)用(yong)扩(kuo)散工艺(yi)在(zai)衬(chen)(chen)(chen)底(di)上扩(kuo)散两个高掺杂(za)(za)浓(nong)度(du)的N型(xing)区（用(yong)N+表示），并在(zai)此N型(xing)区上引(yin)(yin)出(chu)两个欧姆(mu)接触电极(ji)(ji)(ji)，分(fen)别称(cheng)为(wei)(wei)源极(ji)(ji)(ji)（用(yong)S表示）和(he)漏极(ji)(ji)(ji)（用(yong)D表示）。在(zai)源区、漏区之(zhi)间(jian)的衬(chen)(chen)(chen)底(di)表面覆盖一(yi)层二氧化(hua)硅（SiO2）绝(jue)缘层，在(zai)此绝(jue)缘层上沉积出(chu)金(jin)属(shu)铝层并引(yin)(yin)出(chu)电极(ji)(ji)(ji)作为(wei)(wei)栅极(ji)(ji)(ji)（用(yong)G表示）。从衬(chen)(chen)(chen)底(di)引(yin)(yin)出(chu)一(yi)个欧姆(mu)接触电极(ji)(ji)(ji)称(cheng)为(wei)(wei)衬(chen)(chen)(chen)底(di)电极(ji)(ji)(ji)（用(yong)B表示）。由(you)于栅极(ji)(ji)(ji)与其它电极(ji)(ji)(ji)之(zhi)间(jian)是相互绝(jue)缘的，所以称(cheng)它为(wei)(wei)绝(jue)缘栅型(xing)场(chang)效应管。MOS管工作原(yuan)理动(dong)画图(tu)2—54（a）中的L为(wei)(wei)沟(gou)道(dao)长度(du)，W为(wei)(wei)沟(gou)道(dao)宽度(du)。

图2—54所示的MOSFET，当栅极(ji)G和源极(ji)S之间不加任何电压，即UGS=0

时,由于(yu)漏极(ji)和源(yuan)极(ji)两个N+型区之(zhi)间(jian)(jian)隔有(you)P型衬(chen)底，相(xiang)当(dang)于(yu)两个背靠背连接的PN结，它们之(zhi)间(jian)(jian)的电(dian)(dian)阻(zu)高达1012W的数(shu)量级，也(ye)就是说(shuo)D、S之(zhi)间(jian)(jian)不(bu)具备(bei)导(dao)电(dian)(dian)的沟道，所以无论漏、源(yuan)极(ji)之(zhi)间(jian)(jian)加何种极(ji)性(xing)的电(dian)(dian)压，都(dou)不(bu)会产生漏极(ji)电(dian)(dian)流ID。

当(dang)将衬(chen)(chen)底B与源极(ji)(ji)S短接，在(zai)(zai)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)G和(he)源极(ji)(ji)S之(zhi)(zhi)(zhi)间(jian)加正电(dian)压，即UGS﹥0时,MOS管工作(zuo)原理(li)动画图2—55（a）所示(shi)(shi)，则在(zai)(zai)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)与衬(chen)(chen)底之(zhi)(zhi)(zhi)间(jian)产生一(yi)个(ge)由栅(zha)(zha)极(ji)(ji)指向衬(chen)(chen)底的电(dian)场(chang)。在(zai)(zai)这个(ge)电(dian)场(chang)的作(zuo)用下(xia)，P衬(chen)(chen)底表(biao)(biao)面(mian)附近(jin)的空(kong)穴(xue)受到(dao)(dao)排斥将向下(xia)方运动，电(dian)子(zi)受电(dian)场(chang)的吸(xi)(xi)引向衬(chen)(chen)底表(biao)(biao)面(mian)运动，与衬(chen)(chen)底表(biao)(biao)面(mian)的空(kong)穴(xue)复合，形(xing)成(cheng)(cheng)了(le)一(yi)层(ceng)耗尽(jin)层(ceng)。如果进一(yi)步提(ti)高(gao)UGS电(dian)压，使(shi)UGS达到(dao)(dao)某一(yi)电(dian)压UT时，P衬(chen)(chen)底表(biao)(biao)面(mian)层(ceng)中空(kong)穴(xue)全部被(bei)排斥和(he)耗尽(jin)，而自(zi)由电(dian)子(zi)大(da)量地(di)被(bei)吸(xi)(xi)引到(dao)(dao)表(biao)(biao)面(mian)层(ceng)，由量变(bian)到(dao)(dao)质变(bian)，使(shi)表(biao)(biao)面(mian)层(ceng)变(bian)成(cheng)(cheng)了(le)自(zi)由电(dian)子(zi)为多子(zi)的N型(xing)(xing)(xing)层(ceng)，称为“反(fan)型(xing)(xing)(xing)层(ceng)”，MOS管工作(zuo)原理(li)动画图2—55（b）所示(shi)(shi)。反(fan)型(xing)(xing)(xing)层(ceng)将漏极(ji)(ji)D和(he)源极(ji)(ji)S两个(ge)N+型(xing)(xing)(xing)区(qu)相连通(tong)，构(gou)成(cheng)(cheng)了(le)漏、源极(ji)(ji)之(zhi)(zhi)(zhi)间(jian)的N型(xing)(xing)(xing)导电(dian)沟(gou)道(dao)。把开始形(xing)成(cheng)(cheng)导电(dian)沟(gou)道(dao)所需的UGS值称为阈值电(dian)压或(huo)开启电(dian)压，用UT表(biao)(biao)示(shi)(shi)。显然，只有UGS﹥UT时才(cai)有沟(gou)道(dao)，而且UGS越(yue)大(da)，沟(gou)道(dao)越(yue)厚，沟(gou)道(dao)的导通(tong)电(dian)阻越(yue)小，导电(dian)能力越(yue)强(qiang)。这就是为什么把它称为增强(qiang)型(xing)(xing)(xing)的缘故。

在UGS﹥UT的(de)(de)条(tiao)件下，如果在漏(lou)极(ji)D和源(yuan)极(ji)S之间加上正电(dian)压UDS，导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)就会有电(dian)流(liu)流(liu)通。漏(lou)极(ji)电(dian)流(liu)由漏(lou)区(qu)(qu)流(liu)向源(yuan)区(qu)(qu)，因为沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)有一(yi)定的(de)(de)电(dian)阻，所以沿着沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)产生电(dian)压降，使(shi)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)各点的(de)(de)电(dian)位沿沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)由漏(lou)区(qu)(qu)到源(yuan)区(qu)(qu)逐(zhu)渐减小，靠(kao)近漏(lou)区(qu)(qu)一(yi)端(duan)(duan)的(de)(de)电(dian)压UGD最小，其值为UGD=UGS－UDS,相应的(de)(de)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)最薄；靠(kao)近源(yuan)区(qu)(qu)一(yi)端(duan)(duan)的(de)(de)电(dian)压最大(da)，等于UGS,相应的(de)(de)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)最厚。这样就使(shi)得沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)厚度不再是均(jun)匀的(de)(de)，整个沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)呈倾斜状。随着UDS的(de)(de)增大(da)，靠(kao)近漏(lou)区(qu)(qu)一(yi)端(duan)(duan)的(de)(de)沟(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)越来越薄。

当UDS增大到某一临界(jie)值，使UGD≤UT时，漏端的沟(gou)道(dao)消失，只剩下耗尽层，把这种情况称(cheng)为沟(gou)道(dao)“预夹(jia)断(duan)(duan)(duan)”，MOS管(guan)工作(zuo)原(yuan)理(li)动(dong)画(hua)图2—56（a）所(suo)示(shi)。继续增大UDS(即UDS＞UGS－UT)，夹(jia)断(duan)(duan)(duan)点(dian)向源(yuan)极方向移(yi)动(dong)，MOS管(guan)工作(zuo)原(yuan)理(li)动(dong)画(hua)图2—56（b）所(suo)示(shi)。尽管(guan)夹(jia)断(duan)(duan)(duan)点(dian)在移(yi)动(dong)，但沟(gou)道(dao)区(qu)(qu)（源(yuan)极S到夹(jia)断(duan)(duan)(duan)点(dian)）的电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)降(jiang)保持不变(bian)，仍(reng)等(deng)于(yu)UGS－UT。因此,UDS多余部分(fen)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)[UDS－(UGS－UT)]全部降(jiang)到夹(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)上，在夹(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)内形(xing)成较强的电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)。这时电(dian)(dian)(dian)(dian)子沿沟(gou)道(dao)从源(yuan)极流向夹(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)，当电(dian)(dian)(dian)(dian)子到达夹(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)边缘时，受夹(jia)断(duan)(duan)(duan)区(qu)(qu)强电(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)的作(zuo)用，会很快的漂移(yi)到漏极。

耗(hao)(hao)尽型。耗(hao)(hao)尽型是(shi)指，当VGS=0时即(ji)形成沟道，加上正确的(de)VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗(hao)(hao)尽”了载流子，使管(guan)子转向截止。

耗尽型MOS场(chang)效(xiao)应管，是在(zai)制造过(guo)程(cheng)中，预先在(zai)SiO2绝缘层(ceng)中掺入(ru)大量的(de)正离子(zi)(zi)，因此，在(zai)UGS=0时，这些正离子(zi)(zi)产生(sheng)的(de)电(dian)场(chang)也能(neng)在(zai)P型衬(chen)底(di)中“感应”出足够的(de)电(dian)子(zi)(zi)，形(xing)成(cheng)N型导(dao)电(dian)沟道。

当UDS>0时，将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。当UGS更负，达到某一数值时沟道消失，ID=0。使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示。UGS

N沟道(dao)(dao)耗尽型(xing)(xing)(xing)MOSFET的(de)结(jie)构(gou)与增强型(xing)(xing)(xing)MOSFET结(jie)构(gou)类似，只(zhi)有一点(dian)不同(tong)，就是N沟道(dao)(dao)耗尽型(xing)(xing)(xing)MOSFET在(zai)(zai)栅极(ji)电(dian)压uGS=0时，沟道(dao)(dao)已经存(cun)在(zai)(zai)。该(gai)N沟道(dao)(dao)是在(zai)(zai)制(zhi)(zhi)造过程中应用离(li)子注入法预(yu)先(xian)在(zai)(zai)衬底的(de)表面，在(zai)(zai)D、S之(zhi)间制(zhi)(zhi)造的(de)，称之(zhi)为(wei)初始(shi)沟道(dao)(dao)。N沟道(dao)(dao)耗尽型(xing)(xing)(xing)MOSFET的(de)结(jie)构(gou)和符(fu)号如(ru)MOS管(guan)工作原理动(dong)画1.（a）所示，它是在(zai)(zai)栅极(ji)下方(fang)的(de)SiO2绝(jue)缘层中掺入了大(da)量的(de)金属正离(li)子。所以(yi)当VGS＝0时，这些正离(li)子已经感应出(chu)反型(xing)(xing)(xing)层，形成了沟道(dao)(dao)。于(yu)是，只(zhi)要有漏(lou)源(yuan)电(dian)压，就有漏(lou)极(ji)电(dian)流存(cun)在(zai)(zai)。当VGS＞0时，将使ID进一步增加。VGS＜0时，随着VGS的(de)减小(xiao)漏(lou)极(ji)电(dian)流逐渐减小(xiao)，直至ID＝0。对(dui)应ID＝0的(de)VGS称为(wei)夹断电(dian)压，用符(fu)号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道(dao)(dao)耗尽型(xing)(xing)(xing)MOSFET的(de)转移特性曲线如(ru)图1.（b）所示。

图1. N沟道耗(hao)尽型MOSFET的结构和转(zhuan)移特性曲(qu)线(xian)

由于耗尽型MOSFET在uGS=0时，漏源之间的沟(gou)道已经存在，所以(yi)只要加上uDS,就有iD流通(tong)。如果(guo)增加正向栅(zha)压(ya)uGS，栅(zha)极与衬底之间的电场(chang)将(jiang)使沟(gou)道中感应更多的电子(zi)，沟(gou)道变厚，沟(gou)道的电导(dao)增大。

如果在(zai)(zai)(zai)栅极加负(fu)电(dian)压(ya)（即uGS＜0＝，就会在(zai)(zai)(zai)相对应的衬(chen)底表面感(gan)应出(chu)正电(dian)荷，这些正电(dian)荷抵消N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)中的电(dian)子，从而在(zai)(zai)(zai)衬(chen)底表面产生一(yi)个耗(hao)尽(jin)层，使(shi)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)变窄，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)电(dian)导减(jian)小。当负(fu)栅压(ya)增(zeng)大到某一(yi)电(dian)压(ya)Up时，耗(hao)尽(jin)区扩展到整个沟(gou)(gou)(gou)道(dao)，沟(gou)(gou)(gou)道(dao)完全(quan)被夹(jia)断（耗(hao)尽(jin)），这时即使(shi)uDS仍存在(zai)(zai)(zai)，也不会产生漏极电(dian)流，即iD=0。UP称为夹(jia)断电(dian)压(ya)或阈值(zhi)电(dian)压(ya)，其值(zhi)通(tong)常在(zai)(zai)(zai)–1V–10V之间(jian)N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)耗(hao)尽(jin)型MOSFET的输出(chu)特(te)性(xing)曲(qu)线和转(zhuan)移特(te)性(xing)曲(qu)线分别(bie)如图2—60（a）、（b）所示。

在(zai)可变电阻区(qu)内(nei)，iD与uDS、uGS的关系仍(reng)为

在恒流区，iD与uGS的关(guan)系(xi)仍(reng)满足式(shi)（2—81），即

若(ruo)考虑uDS的(de)影响(xiang)，iD可近似为

对耗尽型(xing)场(chang)效应管来说(shuo)，式（2—84）也(ye)可表示为

式中，IDSS称为(wei)uGS=0时的饱和漏电流，其值(zhi)为(wei)

P沟(gou)道(dao)MOSFET的工作原理(li)与N沟(gou)道(dao)MOSFET完全(quan)相同，只不(bu)过导电的载(zai)流子不(bu)同，供(gong)电电压极性不(bu)同而已。这如同双(shuang)极型三极管(guan)有NPN型和PNP型一样。

3 主要参数

(1) 直流参(can)数(shu)

指耗尽(jin)型(xing)MOS夹断电(dian)压UGS=UGS(off) 、增强(qiang)型(xing)MOS管开启电(dian)压UGS(th)、耗尽(jin)型(xing)场效应(ying)三极管的饱(bao)和漏极电(dian)流(liu)IDSS(UGS=0时所对应(ying)的漏极电(dian)流(liu))、输入(ru)电(dian)阻RGS.

(2) 低频(pin)跨导(dao)gm

gm可以(yi)在转移特(te)性曲(qu)线上求取，单位是mS(毫西门(men)子)。

(3) 最大(da)漏极电流IDM

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