新邦微半導(dǎo)體帶您了解：MOS管的工作原理

　　前文新邦微小編帶大家了解了MOS管的4種分類以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，相信朋友們已經(jīng)對MOS管有了初步的了解。那么MOS管是如何工作的呢?帶著這個(gè)疑問，接下來就隨新邦微小編一起了解下：MOS管的工作原理。

　　一、N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管原理

　　N溝道增強(qiáng)型MOS管，在P型半導(dǎo)體上形成SiO2膜絕緣層，然后通過光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)域，從N型區(qū)域引出電極(漏極D、源極S);在源極與漏極之間的SiO2絕緣層上涂一層金屬鋁作為柵極G;P型半導(dǎo)體又叫做襯底，用符號B表示。NMOS也被稱為絕緣格柵場效應(yīng)管，因?yàn)楦駯艠O與其他電極相互絕緣。

　　當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即VGS=0時(shí)，漏極和源極之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012Ω，即D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無論在泄漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。

　　N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖

　　如果將襯底B與源極S短接，把正電壓加在柵極G與源極S之間，即VGS>0，如上圖所示，格柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由格柵極指向襯底的電場。在這個(gè)電場的作用下，P襯底表面附近的孔被排除在外，將向下移動(dòng)。電子被電場吸引到襯底表面，與襯底表面的孔結(jié)合形成耗盡層。

　　如果進(jìn)一步提高VGS電壓，使VGS達(dá)到某一電壓VT時(shí)，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如圖表3(b)所示。

　　如果把VGS電壓進(jìn)一步提高，使VGS達(dá)到一定電壓VT，P襯底表面孔都被排斥和耗盡，自由電子被大量吸引到表面層，從量變到質(zhì)變，使表面層成為自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”。

　　反向?qū)舆B接漏極D和源極S兩個(gè)N+區(qū)域，形成漏極和源極之間的N型導(dǎo)電溝。用VGS將導(dǎo)電溝開始形成所需的VGS值稱為閾值電壓或開啟電壓VGS(th)表示。顯然，只有VGS>>VGS(th)只有這樣才有溝道，VGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng);“增強(qiáng)型”一詞也是由此產(chǎn)生的。

　　耗盡層與反型層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)示意圖

　　VGS>VGS(th)在這種情況下，如果在漏極D和源極S之間增加正電壓VDS，導(dǎo)電溝就會(huì)有電流流通。漏極電流從漏區(qū)流向源區(qū)。由于溝道有一定的電阻，沿溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位從漏區(qū)逐漸減小到源區(qū)。漏區(qū)一端附近的電壓VGD最小，值為VGD=VGS-VDS，相應(yīng)的溝道最薄，靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于VGS，相應(yīng)的溝道最厚。

　　這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

　　當(dāng)VDS增大到某一臨界值，使VGD≤VGS(th)時(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”，如圖表4(a)所示。繼續(xù)增大VDS[即VDS>VGS-VGS(th)]，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，如上圖(b)所示。

　　這使得溝道厚度不再均勻，整個(gè)溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增加，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

　　當(dāng)VDS增加到某個(gè)臨界值時(shí)，使VGDS≤VGS(th)當(dāng)漏端的溝道消失時(shí)，只剩下耗盡層，這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”。繼續(xù)增加VDS[即VDS>>VGS-VGS(th)]，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)。

　　雖然夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區(qū)域(源極S到夾斷點(diǎn))的電壓降沒有改變，仍等于VGS-VGS(th)。所以，VDS多余部分電壓[VDS-(VGS-VGS(th))]所有這些都降到了夾斷區(qū)域，并在夾斷區(qū)域內(nèi)形成了一個(gè)強(qiáng)大的電場。此時(shí)，電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)域。當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)域的邊緣時(shí)，夾斷區(qū)域的強(qiáng)電場會(huì)迅速漂移到漏極。

　　預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

　　二、P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管原理

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過光刻、擴(kuò)散的方法或其他手段，在N型襯底(基片)上制作出兩個(gè)摻雜的P區(qū)，分別引出電極(源極S和漏極D)，同時(shí)在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬柵極G。其結(jié)構(gòu)和工作原理與N溝道MOS管類似;只是使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管，以在N型襯底中生成P型反型層命名。主要通過光刻、擴(kuò)散或其他手段，在N型襯底(基板)上制作兩個(gè)混合P區(qū)，分別引出電極(源極S和漏極D)，在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬格柵G。其結(jié)構(gòu)和工作原理與N溝道MOS管相似，但使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反。

　　正常工作時(shí)，P溝道增強(qiáng)型MOS管的襯底需要與源極相連，漏極對源極的電壓VDS應(yīng)為負(fù)值，以確保兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)為反偏。同時(shí)，為了在襯底頂表面附近形成導(dǎo)電溝，柵極對源極的電壓也應(yīng)為負(fù)。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖

　　當(dāng)VDS=0時(shí)，在柵源之間增加負(fù)電壓比，由于絕緣層的存在，所以沒有電流，但金屬柵極被補(bǔ)充收集負(fù)電荷，N型半導(dǎo)體中的多子電子被負(fù)電荷排斥到體內(nèi)，表面留下正電離子，形成耗盡層。

　　隨著G、S之間負(fù)電壓的增加，耗盡層加寬。當(dāng)VDS增加到一定值時(shí)，襯底中的孔隙(少子)被柵極中的負(fù)電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成P形薄層，稱為反型層，如下圖(2)所示。

　　這個(gè)反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道，此時(shí)的VGS稱為開啟電壓VGS(th)，達(dá)到VGS(th)然后，襯底表面感應(yīng)孔越多，反向?qū)釉綄挘谋M層的寬度不再改變，使我們可以利用VGS的大小來控制導(dǎo)電溝的寬度。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖

　　當(dāng)VDS≠0點(diǎn)，導(dǎo)電溝形成后，當(dāng)增加D、S之間的負(fù)電壓時(shí)，源極與漏極之間會(huì)有漏極電流ID流通，ID會(huì)隨著VDS的增加而增加。沿溝道ID產(chǎn)生的壓降使溝道上各點(diǎn)與柵極之間的電壓不再相等。電壓削弱了柵極中負(fù)電荷電場的作用，逐漸縮小了從漏極到源極的溝道，如圖上圖(1)所示。

　　當(dāng)VDS增加到VGD=VGS(即VDS=VGS-VGS(TH))，預(yù)夾斷出現(xiàn)在泄漏極附近，如上圖(2)所示。然后繼續(xù)增加VDS，夾斷區(qū)域只是稍微延長，溝道電流基本上保持預(yù)夾斷裂的值，原因是當(dāng)預(yù)夾斷裂繼續(xù)增加VDS時(shí)，VDS的所有多余部分都添加到泄漏極附近的夾緊區(qū)域，因此泄漏電流ID近似與VDS無關(guān)。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

　　三、N溝道耗盡型場效應(yīng)管原理

　　N溝道耗盡型MOS管，它的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOS管相似，唯一不同的是，當(dāng)柵極電壓VGS=0時(shí)，N溝耗盡MOS管已經(jīng)存在。這是因?yàn)镹溝在制造過程中采用了離子注入法、大量的金屬正離子混合在D、S之間的襯底表面和格柵極下的SiO2絕緣層中，這也被稱為初始溝道。

　　當(dāng)VGS=0時(shí)，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)到反型層并形成溝道，因此只要有泄漏電壓，就會(huì)有泄漏電極電流;當(dāng)VGS>0時(shí)，ID將進(jìn)一步增加;VGS<0時(shí)，隨著VGS的減小，漏極電流逐漸減小，直到ID=0。與ID=0相對應(yīng)的VGS稱為夾斷電壓或閾值電壓，使用符號VGS(off)或UP表示。

　　由于耗盡型MOSFET在VGS=0中已經(jīng)存在泄漏之間的溝道，只要增加VDS，就會(huì)有ID流通。如果增加正向柵壓VGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應(yīng)到更多的電子，溝道變厚，溝道的導(dǎo)電性增加。

　　如果在柵極上增加負(fù)電壓(即VGS<0)，則在相應(yīng)的襯底表面感應(yīng)正電荷，抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產(chǎn)生耗盡層，縮小溝道，降低溝道電導(dǎo)率。當(dāng)負(fù)網(wǎng)格壓力增加到某個(gè)電壓VGS時(shí)(off)當(dāng)耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道時(shí)，溝道完全斷裂(耗盡)，即使VDS仍然存在，也不會(huì)產(chǎn)生漏極電流，即ID=0。

　　N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)(左)及轉(zhuǎn)移特性(右)示意圖

　　四、P溝道耗盡型場效應(yīng)管原理

　　P溝道耗盡型MOS管，工作原理與N溝道耗盡型MOS管完全相同，只不過導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性也不同。