新邦微半导体带您了解：MOS管的工作原理

　　前文新邦微小编带大家了解了MOS管的4种分类以及内部结构图，相信朋友们已经对MOS管有了初步的了解。那么MOS管是如何工作的呢?带着这个疑问，接下来就随新邦微小编一起了解下：MOS管的工作原理。

　　一、N沟道增强型场效应管原理

　　N沟道增强型MOS管，在P型半导体上形成SiO2膜绝缘层，然后通过光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区域，从N型区域引出电极(漏极D、源极S);在源极与漏极之间的SiO2绝缘层上涂一层金属铝作为栅极G;P型半导体又叫做衬底，用符号B表示。NMOS也被称为绝缘格栅场效应管，因为格栅极与其他电极相互绝缘。

　　当栅极G和源极S之间不加任何电压，即VGS=0时，漏极和源极之间隔有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1012Ω，即D、S之间不具备导电的沟道，所以无论在泄漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流ID。

　　N沟道增强型MOS管结构示意图

　　如果将衬底B与源极S短接，把正电压加在栅极G与源极S之间，即VGS>0，如上图所示，格栅极与衬底之间产生一个由格栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，P衬底表面附近的孔被排除在外，将向下移动。电子被电场吸引到衬底表面，与衬底表面的孔结合形成耗尽层。

　　如果进一步提高VGS电压，使VGS达到某一电压VT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”，如图表3(b)所示。

　　如果把VGS电压进一步提高，使VGS达到一定电压VT，P衬底表面孔都被排斥和耗尽，自由电子被大量吸引到表面层，从量变到质变，使表面层成为自由电子为多子的N型层，称为“反型层”。

　　反向层连接漏极D和源极S两个N+区域，形成漏极和源极之间的N型导电沟。用VGS将导电沟开始形成所需的VGS值称为阈值电压或开启电压VGS(th)表示。显然，只有VGS>>VGS(th)只有这样才有沟道，VGS越大，沟道越厚，沟道的导电阻越小，导电能力越强;“增强型”一词也是由此产生的。

　　耗尽层与反型层产生的结构示意图

　　VGS>VGS(th)在这种情况下，如果在漏极D和源极S之间增加正电压VDS，导电沟就会有电流流通。漏极电流从漏区流向源区。由于沟道有一定的电阻，沿沟道产生电压降，使沟道各点的电位从漏区逐渐减小到源区。漏区一端附近的电压VGD最小，值为VGD=VGS-VDS，相应的沟道最薄，靠近源区一端的电压最大，等于VGS，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VDS的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。

　　当VDS增大到某一临界值，使VGD≤VGS(th)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”，如图表4(a)所示。继续增大VDS[即VDS>VGS-VGS(th)]，夹断点向源极方向移动，如上图(b)所示。

　　这使得沟道厚度不再均匀，整个沟道呈倾斜状。随着VDS的增加，靠近漏区一端的沟道越来越薄。

　　当VDS增加到某个临界值时，使VGDS≤VGS(th)当漏端的沟道消失时，只剩下耗尽层，这种情况称为沟道“预夹断”。继续增加VDS[即VDS>>VGS-VGS(th)]，夹断点向源极方向移动。

　　虽然夹断点在移动，但沟道区域(源极S到夹断点)的电压降没有改变，仍等于VGS-VGS(th)。所以，VDS多余部分电压[VDS-(VGS-VGS(th))]所有这些都降到了夹断区域，并在夹断区域内形成了一个强大的电场。此时，电子沿沟道从源极流向夹断区域。当电子到达夹断区域的边缘时，夹断区域的强电场会迅速漂移到漏极。

　　预夹断及夹断区形成示意图

　　二、P沟道增强型场效应管原理

　　P沟道增强型MOS管因在N型衬底中生成P型反型层而得名，其通过光刻、扩散的方法或其他手段，在N型衬底(基片)上制作出两个掺杂的P区，分别引出电极(源极S和漏极D)，同时在漏极与源极之间的SiO2绝缘层上制作金属栅极G。其结构和工作原理与N沟道MOS管类似;只是使用的栅-源和漏-源电压极性与N沟道MOS管相反。

　　P沟道增强型MOS管，以在N型衬底中生成P型反型层命名。主要通过光刻、扩散或其他手段，在N型衬底(基板)上制作两个混合P区，分别引出电极(源极S和漏极D)，在漏极与源极之间的SiO2绝缘层上制作金属格栅G。其结构和工作原理与N沟道MOS管相似，但使用的栅-源和漏-源电压极性与N沟道MOS管相反。

　　正常工作时，P沟道增强型MOS管的衬底需要与源极相连，漏极对源极的电压VDS应为负值，以确保两个P区与衬底之间的PN结为反偏。同时，为了在衬底顶表面附近形成导电沟，栅极对源极的电压也应为负。

　　P沟道增强型MOS管的结构示意图

　　当VDS=0时，在栅源之间增加负电压比，由于绝缘层的存在，所以没有电流，但金属栅极被补充收集负电荷，N型半导体中的多子电子被负电荷排斥到体内，表面留下正电离子，形成耗尽层。

　　随着G、S之间负电压的增加，耗尽层加宽。当VDS增加到一定值时，衬底中的孔隙(少子)被栅极中的负电荷吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成P形薄层，称为反型层，如下图(2)所示。

　　这个反型层就构成漏源之间的导电沟道，此时的VGS称为开启电压VGS(th)，达到VGS(th)然后，衬底表面感应孔越多，反向层越宽，耗尽层的宽度不再改变，使我们可以利用VGS的大小来控制导电沟的宽度。

　　P沟道增强型MOS管耗尽层及反型层形成示意图

　　当VDS≠0点，导电沟形成后，当增加D、S之间的负电压时，源极与漏极之间会有漏极电流ID流通，ID会随着VDS的增加而增加。沿沟道ID产生的压降使沟道上各点与栅极之间的电压不再相等。电压削弱了栅极中负电荷电场的作用，逐渐缩小了从漏极到源极的沟道，如图上图(1)所示。

　　当VDS增加到VGD=VGS(即VDS=VGS-VGS(TH))，预夹断出现在泄漏极附近，如上图(2)所示。然后继续增加VDS，夹断区域只是稍微延长，沟道电流基本上保持预夹断裂的值，原因是当预夹断裂继续增加VDS时，VDS的所有多余部分都添加到泄漏极附近的夹紧区域，因此泄漏电流ID近似与VDS无关。

　　P沟道增强型MOS管预夹断及夹断区形成示意图

　　三、N沟道耗尽型场效应管原理

　　N沟道耗尽型MOS管，它的结构与增强型MOS管相似，唯一不同的是，当栅极电压VGS=0时，N沟耗尽MOS管已经存在。这是因为N沟在制造过程中采用了离子注入法、大量的金属正离子混合在D、S之间的衬底表面和格栅极下的SiO2绝缘层中，这也被称为初始沟道。

　　当VGS=0时，这些正离子已经感应到反型层并形成沟道，因此只要有泄漏电压，就会有泄漏电极电流;当VGS>0时，ID将进一步增加;VGS<0时，随着VGS的减小，漏极电流逐渐减小，直到ID=0。与ID=0相对应的VGS称为夹断电压或阈值电压，使用符号VGS(off)或UP表示。

　　由于耗尽型MOSFET在VGS=0中已经存在泄漏之间的沟道，只要增加VDS，就会有ID流通。如果增加正向栅压VGS，栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应到更多的电子，沟道变厚，沟道的导电性增加。

　　如果在栅极上增加负电压(即VGS<0)，则在相应的衬底表面感应正电荷，抵消N沟道中的电子，从而在衬底表面产生耗尽层，缩小沟道，降低沟道电导率。当负网格压力增加到某个电压VGS时(off)当耗尽区扩展到整个沟道时，沟道完全断裂(耗尽)，即使VDS仍然存在，也不会产生漏极电流，即ID=0。

　　N沟道耗尽型MOS管结构(左)及转移特性(右)示意图

　　四、P沟道耗尽型场效应管原理

　　P沟道耗尽型MOS管，工作原理与N沟道耗尽型MOS管完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性也不同。