N沟道增强型MOS管的工作原理

1、http:/ 第工作原理（转）2008-07-1207:06 双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就（beta）。另一种晶体管，叫做场效应管（FET）,把输入电压的变化转化为输出电流的变化。分别为电流控制器增益等于它的跨导（transconductance）gm,定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。场效应管的名字也来源于它的输入端栅（称为 gate）,通过投影一个电场在一个绝缘层（氧化物 SIO2）上架实上没有电流流过这个绝缘体（只是一个电容的作用），所以 FET 管的 GATEfe 流非常小（电容的电流损耗）。最硅来作为GATE下的绝

2、缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体（MOS 用体管，或，金属氧化物半导体场效应管（semicondutorfieldeffecttransistor）。因为 MOSt 更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极首先考察一个更简单的器件MOSt 容能更好的理解 MOST。这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是他们之间由一薄层二氧化硅分隔开（图 1.22A）o 金属极就是 GATE 而半导体端就是 backgate 或者 bodyorbul的绝缘氧化层称为 gatedielectric。图示中的器件有一个轻掺杂 P 型硅做成的 backgate。这个 MOS 电容的电果 gate 接不同

3、的电压来说明。图 1.22A 中的 MOSt 容的 GATEfe 位是 0V。金属 GATE?半导体 BACKGATEWORKU 上）上的差异在电介质（氧化层的上下）上产生了一个小电场。图示的器件中，这个电场使金属极带轻微的正电的空穴多，电子少，故需要从别处抢来”电子，所以氧化物处电子少了，故 GAT 敢带正电），P 型硅负电位（桂硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对小。图 1.22B 中是当 MOSI 容的 GATE1 对于 BACKGATE 偏置（PN 结）时发生的情况。穿过 GATEDIELECTRIC 从衬底被拉了上来。同时

4、，空穴被排斥出表面。随着 GATEfe 压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。由于就像 N 型硅。掺杂极性的反转被称为反型（inversion）,反转的硅层叫做 channel（NPmos 的命名就是根据这里续不断升高，越来越多的电子在表面积累，channel 变成了强反转。Channel 形成时的电压被称为阈值电压 Vt。：压差小于阈值电压时，不会形成 channel0当电压差超过阈值电压时，channel 就出现了。（其实还有个亚阈值状流子，也有电子通道，不过很小一般忽略，此时耗尽层的负电荷占据主要，以映像栅上的电压）。图 1.22MOS 电容：(A)未偏置(VBA0V),(B)反转(

5、VBA3V),(C)积累(VBA-3V)图 1.22C 中是当 MOS!容的 GATEJ 目对于 backgate 是负电压时的情况（就好像给二极管的 PN 结加上正电工空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了，这个器件被认为是处于 accumulation（电荷积累）状态了。MOS 电容的特性能被用来形成 MOST。图 1.23A 是最终器件的截面图。Gate,电介质和 backgate 保持原外的选择性掺杂的区域。其中一个称为 source,另一个称为 drain。假设 source 和 backgate 都接地，drain 接正的电压仍旧小于阈值电压，就不会形成 channel。Drain

6、 和 backgate 之间的 PN 结反向偏置，所以只有很小的电流果 GATEJt 压超过了阈值电压，在 GATEJfe 介质下就出现了 channel0这个 channel 就像一薄层短接 drain 和 sou 电流从 source 通过 channel流到 drain。总的来说，只有在 gate 对 source 电压 V 超过阈值电压 Vt 时，才会举(A)Cate(3V)Backaie(OV)(B)(A)NMOSJmstSMT.COJt图 1.23MOSFET 体管的截面图：NMO&A）和 PMOSB）。在图中，S=Source,G=Gate,D=Drain。虽有说明。MO

7、S 管的 source 和 drain 是可以对调的，他们都是在 P 型 backgate 中形成的 N 型区。在多数情况下，两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。在对称的 MOS?中，对 soure 和 drain 的标注有子流出 source,流入 drain。因此 Source 和 drain 的身份就靠器件的偏置来决定了。有时晶体管上的偏置电压是相对换角色。这种情况下，电路设计师必须指定一个是 drain 另一个则是 source。Source 和 drain 不同掺杂不同几何形状的就是非对称 MOS?。制造非对称晶体管有很多理由，但所有的卡线端被优化作为 drain

8、,另一个被优化作为 source。如果 drain 和 source 对调，这个器件就不能正常工作了。图 1.23A 中的晶体管有 N 型 channel 所有它称为 N-channelMOSt,或 NMOSP-channelMOS（PMOSi 个由轻掺杂的 N 型 BACKGATEP 型 source 和 drain 组成的 PMOST。如果这个晶体管的 GATE?目对于 BACKGAT 面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累，没有 channel 形成。如果 GATE?目对于 BACKGATE 向偏置，空穴被以因此 PMOS1的阈值电压是负值。由于 NMOSF 的阈值电压是正的，PMOS

9、勺阈值电压是负的，所以工程师们通常会一个工程师可能说，“PMOSVtM0.6V 上升至 I0.7V，实际上 PMOS 勺 Vt 是从-0.6V 下降到-0.7V。N 沟道增强型 MOS 管的工作原理N 沟道增强型 MOST 的工作原理1. vGS 寸 iD 及沟道的控制作用PSI)PIhukAUiiei.NSI)Nliuckgnlc乂 0 贽的源极和衬底通常是接在一起的 （大多数管子在出厂前已连接好）。从图 1（a）可以看出，增强型乂0范的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-一源电压 vGS=0 寸，即使加上漏-源电压vDS二氧优硅而且不论 vDS 的极性如何，总有一个PN 结处于反

10、偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流 iD-0o若在栅-源极间加上正向电压，即 vGS0,则栅极和未 t 底之间的 Si02 绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极导电沟道的 MOSff 称为增强型 MOS?2. vDS 对 iD 的影响指向衬底的电场， 这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的 P 型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子（负离子），形成耗尽层，同时 P 衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。当 vGS 数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图 1（b）所示。vGSt 曾加时，吸引到 P 衬底表面层的电子就增多，当 vGS

11、达到某一数值时，这些电子在栅极附近的 P 衬底表面便形成B衬底引建Q(b)一个 N 型薄层，且与两个 NM 相连通，在漏-源极间形成 N 型导电沟道，其导电类型与 P衬底相反，故又称为反型层，如图 1（c）所示。vGS大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到 P 衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚， 沟道电阻越小。 我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用 VT 表示。由上述分析可知， N 沟道增强型 M0S 管在 vGSVT 时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当 vG 货 VT 时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压增大时，沟道变厚，沟道电阻减小,N型感生）沟道(c)图 1vDS 才有漏极电流产生。而且 vGSiD 增大。这种必须在 vG 货 VT 时才能形成如 图 2(a) 所 示 ， 当vGSVT 且为一确定值时，漏-源电压 vDS对导电沟道及电流 iD 的影响与结型场效应管相似。漏极电流 iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等， 靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小， 其值为 vGDvGS-vDS 因而这里沟道最薄。但当 vDS 较小(vDS/GS-VT)时， 它对沟道的影响不大，这时只要vGS 一定， 沟道电阻几乎也是一定的，所以 iD 随 vDS近似呈线性变化。随着 vDS 的增大，靠