MOS管工作原理詳細解析 - 壹芯微

場效應管的名字也來源于它的輸入端(稱為gate)通過投影一個電場在一個絕緣層上來影響流過晶體管的電流。事實上沒有電流流過這個絕緣體，所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化硅來作為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(MOSFET)。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型晶體管。

首先考察一個更簡單的器件－MOS電容－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extrinsic silicon，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body。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric。圖示中的器件有一個輕摻雜P型硅做成的backgate。這個MOS 電容的電特性能通過把backgate接地，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WORK FUNCTION上的差異在電介質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位，P型硅負電位。這個電場把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，對器件整體的特性影響也非常小。

圖1.22B中是當MOS電容的GATE相對于BACKGATE正偏置時發生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場加強了，有更多的電子從襯底被拉了上來。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。由于過剩的電子，硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉被稱為inversion，反轉的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續不斷升高，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。當GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時，不會形成channel。當電壓差超過閾值電壓時，channel就出現了。

圖1.22 MOS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。電場反轉，往表面吸引空穴排斥電子。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保持原樣。在GATE的兩邊是兩個額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接正電壓。只要GATE對BACKGATE的電壓仍舊小于閾值電壓，就不會形成channel。Drain和backgate之間的PN結反向偏置，所以只有很小的電流從drain流向backgate。如果GATE電壓超過了閾值電壓，在GATE電介質下就出現了channel。這個channel就像一薄層短接drain和source的N型硅。由電子組成的電流從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，才會有drain電流。

圖1.23 MOSFET晶體管的截面圖：NMOS(A)和PMOS(B)。在圖中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。雖然backgate圖上也有，但沒有說明。

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，這個兩個區是一樣的，即使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的標注有一點任意性。定義上，載流子流出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是不定的，兩個引線端就會互相對換角色。這種情況下，電路設計師必須指定一個是drain另一個是source。

Source和drain不同摻雜不同幾何形狀的就是非對稱MOS管。制造非對稱晶體管有很多理由，但所有的最終結果都是一樣的。一個引線端被優化作為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-channel MOS管，或NMOS。P-channel MOS(PMOS)管也存在。圖1.23B中就是一個由輕摻雜的N型BACKGATE和P型source和drain組成的PMOS管。如果這個晶體管的GATE相對于BACKGATE正向偏置，電子就被吸引到表面，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，空穴被吸引到表面，channel形成了。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，所以工程師們通常會去掉閾值電壓前面的符號。

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