MOS管的工作原理

MOS管的工作原理

mos管是金属(metal)—氧化物(oxid)—半导体(semiconductor)场效应晶体管.
或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体.
MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区.在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能.这样的器件被认为是对称的.
双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后,在输出端输出一个大的电流变化.双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比（beta）.另一种晶体管,叫做场效应管（FET）,把输入电压的变化转化为输出电流的变化.FET的增益等于它的transconductance, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比. 　　场效应管的名字也来源于它的输入端（称为gate）通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流.事实上没有电流流过这个绝缘体,所以FET管的GATE电流非常小.最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体.这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管,或,金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）.因为MOS管更小更省电,所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管.
MOS管的工作原理：
先考察一个更简单的器件－MOS电容－能更好的理解MOS管.这个器件有两个电极,一个是金属,另一个是extrinsic silicon,他们之间由一薄层二氧化硅分隔开.金属极就是GATE,而半导体端就是backgate或者body.他们之间的绝缘氧化层称为gate dielectric.图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate.这个MOS 电容的电特性能通过把backgate接地,gate接不同的电压来说明.MOS电容的GATE电位是0V.金属GATE和半导体BACKGATE在WORK FUNCTION上的差异在电介质上产生了一个小电场.在器件中,这个电场使金属极带轻微的正电位,P型硅负电位.这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来,它同时把空穴排斥出表面.这个电场太弱了,所以载流子浓度的变化非常小,对器件整体的特性影响也非常小. 　　
当MOS电容的GATE相对于BACKGATE正偏置时发生的情况.穿过GATE DIELECTRIC的电场加强了,有更多的电子从衬底被拉了上来.同时,空穴被排斥出表面.随着GATE电压的升高,会出现表面的电子比空穴多的情况.由于过剩的电子,硅表层看上去就像N型硅.掺杂极性的反转被称为inversion,反转的硅层叫做channel.随着GATE电压的持续不断升高,越来越多的电子在表面积累,channel变成了强反转.Channel形成时的电压被称为阈值电压Vt.当GATE和BACKGATE之间的电压差小于阈值电压时,不会形成channel.当电压差超过阈值电压时,channel就出现了. 　　
MOS电容：（A）未偏置（VBG＝0V）,（B）反转（VBG＝3V）,（C）积累（VBG＝-3V）. 　　中是当MOS电容的GATE相对于backgate是负电压时的情况.电场反转,往表面吸引空穴排斥电子.硅表层看上去更重的掺杂了,这个器件被认为是处于accumulation状态了. 　　MOS电容的特性能被用来形成MOS管.Gate,电介质和backgate保持原样.在GATE的两边是两个额外的选择性掺杂的区域.其中一个称为source,另一个称为drain.假设source 和backgate都接地,drain接正电压.只要GATE对BACKGATE的电压仍旧小于阈值电压,就不会形成channel.Drain和backgate之间的PN结反向偏置,所以只有很小的电流从drain流向backgate.如果GATE电压超过了阈值电压,在GATE电介质下就出现了channel.这个channel就像一薄层短接drain和source的N型硅.由电子组成的电流从source通过channel流到drain.总的来说,只有在gate 对source电压V 超过阈值电压Vt时,才会有drain电流. 　　
在对称的MOS管中,对source和drain的标注有一点任意性.定义上,载流子流出source,流入drain.因此Source和drain的身份就靠器件的偏置来决定了.有时晶体管上的偏置电压是不定的,两个引线端就会互相对换角色.这种情况下,电路设计师必须指定一个是drain另一个是source. 　　
Source和drain不同掺杂不同几何形状的就是非对称MOS管.制造非对称晶体管有很多理由,但所有的最终结果都是一样的.一个引线端被优化作为drain,另一个被优化作为source.如果drain和source对调,这个器件就不能正常工作了. 　　
晶体管有N型channel所有它称为N-channel MOS管,或NMOS.P-channel MOS（PMOS）管也存在,是一个由轻掺杂的N型BACKGATE和P型source和drain组成的PMOS管.如果这个晶体管的GATE相对于BACKGATE正向偏置,电子就被吸引到表面,空穴就被排斥出表面.硅的表面就积累,没有channel形成.如果GATE相对于BACKGATE反向偏置,空穴被吸引到表面,channel形成了.因此PMOS管的阈值电压是负值.由于NMOS管的阈值电压是正的,PMOS的阈值电压是负的,所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号.一个工程师可能说,“PMOS Vt从0.6V上升到0.7V”, 实际上PMOS的Vt是从-0.6V下降到-0.7V.
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