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MOS晶体管结构和工作原理 Liyy 2003-10-27 MOS 晶体管结构和工作原理 MOS 晶体管结构 结构图 平面图 MOS晶体管种类 MOS晶体管符号 MOS晶体管工作原理 MOSFET 特性 MOS IV CURVE MOS 衬底偏置效应 MOS热载流子效应 MOS 晶体管结构 结构图 MOS 晶体管结构 平面图 MOS 晶体管结构 在正常工作条件下，栅电压Vg产生的电场控制着源漏间沟道区内载流子的运动。由于器件的电流由器件内部的电场控制 ----------- MOS 场效应晶体管（MOSFET） 栅极与其它电极之间是绝缘的 ----------- 绝缘栅场效应晶体管 （IGFET） MOS 晶体管结构 MOS晶体管种类 按沟道区中载流子类型分 N沟MOS晶体管：衬底为P型，源漏为重掺杂的N+，沟道中 载流子为电子 P沟MOS晶体管：衬底为N型，源漏为重掺杂的P+，沟道中 载流子为空穴 在正常情况下，只有一种类型的载流子在工作，因此也称其为单极晶体管 MOS 晶体管结构 MOS晶体管种类 按工作模式分 增强型晶体管：若在零栅压下不存在漏源导电沟道，为了形 成导电沟道，需要施加一定的栅压，也就是 说沟道要通过“增强”才能导通 耗尽型晶体管：器件本身在漏源之间就存在导电沟道，即使 在零栅压下器件也是导通的。若要使器件截 止，就必须施加栅压使沟道耗尽 MOS 晶体管结构 MOS晶体管符号 NMOS： PMOS： MOS 晶体管特性 MOS晶体管特性 N沟MOS 截面图 MOS 晶体管特性 MOS晶体管特性 假定漏端电压Vds为正，当栅上施加一个小于开启电压的正栅压时，栅氧下面的P型表面区的空穴被耗尽，在硅表面形成一层负电荷，这些电荷被称为耗尽层电荷Qb。这时的漏源电流为泄漏电流。 如果VgsVth，在P型硅表面形成可移动的负电荷Qi层，即导电沟道。由于表面为N型的导电沟道与P型衬底的导电类型相反，因此该表面导电沟道被称为反型层。 MOS 晶体管特性 MOS晶体管特性 在Vgs=Vth时，表面的少数载流子浓度（电子）等于体内的多数载流子（空穴）的浓度。 栅压越高，表面少数载流子的电荷密度Qi 越高。（可动电荷Qi也可称为反型电荷）此时，如果漏源之间存在电势差，由于载流子（NMOS中为电子）的扩散，会形成电流Ids。这时PN结的泄漏电流仍然存在，但它与沟道电流相比非常小，一般可以忽略。 由于反型电荷Qi强烈地依赖与栅压，因此可以利用栅压控制沟道电流。 MOS 晶体管特性 MOS IV CURVE MOS 晶体管特性 MOS IV CURVE 线性区 对于固定的Vgs(Vth)，当漏压很小时，漏电流Ids随漏压的增加而线性增加。但随着漏压的增加，漏电流的增加速度不断减小直到Ids达到某一恒定的饱和值。 在这个工作区，MOS表现出类似于电阻的特性，并且随着栅压的变化而变化，即沟道电阻随着栅压的增加而减小。 这个区域也叫可调电阻区。 MOS 晶体管特性 MOS IV CURVE 饱和区 MOS 晶体管特性 MOS IV CURVE 饱和区 在漏源之间接上电压Vds，则沟道区的电位 从靠近源端的零电位逐渐升高到靠近漏断的Vds。而栅极的电位是恒定的，所以在沟道从源极到漏极不同位置上，栅极与沟道之间的电位差是不等的，因而沟道不同位置上的表面电场也是不等的。那么沟道中积累的可动载流子也随着电位差从源到漏由多到少，沟道也由厚到薄，沟道的导电能力随之下降，漏源输出电流随Vds上升的速度降下来，故Ids曲线逐渐趋向平缓。 当Vds进一步增大时：VdsVgs-Vt，漏端的沟道消失，即漏端的沟道被夹断，这个夹断区成了漏源之间电流通路上电阻最大的区域。在夹断后Vds的继续增大都集中降落在夹断区，因此尽管Vds增大了，沟道两端的电压降仍是Vgs-Vt不变。这使得经过沟道漂移进入夹断区的电子流也基本上不随Vd