新邦微半導體帶您了解：MOS管的工作原理

　　前文新邦微小編帶大家了解了MOS管的4種分類以及內部結構圖，相信朋友們已經對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溝道增強型場效應管原理

　　N溝道增強型MOS管，在P型半導體上形成SiO2膜絕緣層，然后通過光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區域，從N型區域引出電極(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型半導體又叫做襯底，用符號B表示。NMOS也被稱為絕緣格柵場效應管，因為格柵極與其他電極相互絕緣。

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

　　N溝道增強型MOS管結構示意圖

　　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生一個由格柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的孔被排除在外，將向下移動。電子被電場吸引到襯底表面，與襯底表面的孔結合形成耗盡層。

　　如果進一步提高VGS電壓，使VGS達到某一電壓VT時，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電壓進一步提高，使VGS達到一定電壓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”。

　　反向層連接漏極D和源極S兩個N+區域，形成漏極和源極之間的N型導電溝。用VGS將導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，溝道的導電阻越小，導電能力越強;“增強型”一詞也是由此產生的。

　　耗盡層與反型層產生的結構示意圖

　　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，導電溝就會有電流流通。漏極電流從漏區流向源區。由于溝道有一定的電阻，沿溝道產生電壓降，使溝道各點的電位從漏區逐漸減小到源區。漏區一端附近的電壓VGD最小，值為VGD=VGS-VDS，相應的溝道最薄，靠近源區一端的電壓最大，等于VGS，相應的溝道最厚。

　　這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區一端的溝道越來越薄。

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

　　這使得溝道厚度不再均勻，整個溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增加，靠近漏區一端的溝道越來越薄。

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

　　雖然夾斷點在移動，但溝道區域(源極S到夾斷點)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域，并在夾斷區域內形成了一個強大的電場。此時，電子沿溝道從源極流向夾斷區域。當電子到達夾斷區域的邊緣時，夾斷區域的強電場會迅速漂移到漏極。

　　預夾斷及夾斷區形成示意圖

　　二、P溝道增強型場效應管原理

　　P溝道增強型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過光刻、擴散的方法或其他手段，在N型襯底(基片)上制作出兩個摻雜的P區，分別引出電極(源極S和漏極D)，同時在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬柵極G。其結構和工作原理與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、擴散或其他手段，在N型襯底(基板)上制作兩個混合P區，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。其結構和工作原理與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，P溝道增強型MOS管的襯底需要與源極相連，漏極對源極的電壓VDS應為負值，以確保兩個P區與襯底之間的PN結為反偏。同時，為了在襯底頂表面附近形成導電溝，柵極對源極的電壓也應為負。

　　P溝道增強型MOS管的結構示意圖

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

　　隨著G、S之間負電壓的增加，耗盡層加寬。當VDS增加到一定值時，襯底中的孔隙(少子)被柵極中的負電荷吸引到表面，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。

　　這個反型層就構成漏源之間的導電溝道，此時的VGS稱為開啟電壓VGS(th)，達到VGS(th)然后，襯底表面感應孔越多，反向層越寬，耗盡層的寬度不再改變，使我們可以利用VGS的大小來控制導電溝的寬度。

　　P溝道增強型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖

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

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

　　P溝道增強型MOS管預夾斷及夾斷區形成示意圖

　　三、N溝道耗盡型場效應管原理

　　N溝道耗盡型MOS管，它的結構與增強型MOS管相似，唯一不同的是，當柵極電壓VGS=0時，N溝耗盡MOS管已經存在。這是因為N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VGS=0時，這些正離子已經感應到反型層并形成溝道，因此只要有泄漏電壓，就會有泄漏電極電流;當VGS>0時，ID將進一步增加;VGS<0時，隨著VGS的減小，漏極電流逐漸減小，直到ID=0。與ID=0相對應的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中已經存在泄漏之間的溝道，只要增加VDS，就會有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到更多的電子，溝道變厚，溝道的導電性增加。

　　如果在柵極上增加負電壓(即VGS<0)，則在相應的襯底表面感應正電荷，抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產生耗盡層，縮小溝道，降低溝道電導率。當負網格壓力增加到某個電壓VGS時(off)當耗盡區擴展到整個溝道時，溝道完全斷裂(耗盡)，即使VDS仍然存在，也不會產生漏極電流，即ID=0。

　　N溝道耗盡型MOS管結構(左)及轉移特性(右)示意圖

　　四、P溝道耗盡型場效應管原理

　　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，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性也不同。