干货 | MOS管工作动画原理图详解 – 徐自远的乱七八糟小站

绝缘型场效应管的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属铝，故又称为MOS管。它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管大得多，可达1010Ω以上，还因为它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时温度简单，而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。

与结型场效应管相同，MOS管工作原理动画示意图也有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种，因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟道耗尽型管。凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管，凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。

根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。

N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。

当VGS=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。

当栅极加有电压时，若0＜VGS＜VGS(th)时，通过栅极和衬底间形成的电容电场作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层；同时将吸引其中的少子向表层运动，但数量有限，不足以形成导电沟道，将漏极和源极沟通，所以仍然不足以形成漏极电流ID。

进一步增加VGS，当VGS>VGS(th)时( VGS(th)称为开启电压)，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反,故称为反型层。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS>VGS(th)后才会出现漏极电流，所以,这种MOS管称为增强型MOS管。

VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(VGS(th))|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，MOS管工作原理动画见图1。

转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。 gm的量纲为mA/V，所以gm也称为跨导。跨导。

图1. 转移特性曲线

MOS管工作原理动画2—54(a)为N沟道增强型MOS管工作原理动画图，其电路符号如图2—54(b)所示。它是用一块掺杂浓度较低的P型硅片作为衬底，利用扩散工艺在衬底上扩散两个高掺杂浓度的N型区(用N+表示)，并在此N型区上引出两个欧姆接触电极，分别称为源极(用S表示)和漏极(用D表示)。在源区、漏区之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层，在此绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极作为栅极(用G表示)。从衬底引出一个欧姆接触电极称为衬底电极(用B表示)。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以称它为绝缘栅型场效应管。MOS管工作原理动画图2—54(a)中的L为沟道长度，W为沟道宽度。

图2—54

图2—54所示的MOSFET，当栅极G和源极S之间不加任何电压，即 UGS=0 时,由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底，相当于两个背靠背连接的PN结，它们之间的电阻高达1012W的数量级，也就是说D、S之间不具备导电的沟道，所以无论漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流ID。

当将衬底B与源极S短接，在栅极G和源极S之间加正电压，即UGS﹥0时,MOS管工作原理动画图2—55(a)所示，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层。如果进一步提高UGS电压，使UGS达到某一电压UT时，P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的N型层，称为“反型层”，MOS管工作原理动画图2—55(b)所示。反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通，构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的UGS值称为阈值电压或开启电压，用UT表示。显然，只有UGS﹥UT时才有沟道，而且UGS越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电能力越强。这就是为什么把它称为增强型的缘故。

在UGS﹥UT的条件下，如果在漏极D和源极S之间加上正电压UDS，导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区，因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小，靠近漏区一端的电压UGD最小，其值为UGD=UGS-UDS,相应的沟道最薄;靠近源区一端的电压最大，等于UGS,相应的沟道最厚。这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。随着UDS的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。

当UDS增大到某一临界值，使UGD≤UT时，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”，MOS管工作原理动画图2—56(a)所示。继续增大UDS(即UDS>UGS-UT)，夹断点向源极方向移动，MOS管工作原理动画图2—56(b)所示。尽管夹断点在移动，但沟道区(源极S到夹断点)的电压降保持不变，仍等于UGS-UT。因此,UDS多余部分电压[UDS-(UGS-UT)]全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极。

耗尽型。耗尽型是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。

耗尽型MOS场效应管，是在制造过程中，预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此，在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子，形成N型导电沟道。

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。UGSN沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似，只有一点不同，就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0时，沟道已经存在。该N沟道是在制造过程中应用离子注入法预先在衬底的表面，在D、S之间制造的，称之为初始沟道。N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如MOS管工作原理动画1.(a)所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。当VGS>0时，将使ID进一步增加。VGS<0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图1.(b)所示。

图1. N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线

由于耗尽型MOSFET在uGS=0时，漏源之间的沟道已经存在，所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向栅压uGS，栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子，沟道变厚，沟道的电导增大。

如果在栅极加负电压(即uGS<0=，就会在相对应的衬底表面感应出正电荷，这些正电荷抵消N沟道中的电子，从而在衬底表面产生一个耗尽层，使沟道变窄，沟道电导减小。当负栅压增大到某一电压Up时，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断(耗尽)，这时即使uDS仍存在，也不会产生漏极电流，即iD=0。UP称为夹断电压或阈值电压，其值通常在–1V–10V之间N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线和转移特性曲线分别如图2—60(a)、(b)所示。

在可变电阻区内，iD与uDS、uGS的关系仍为