MOS管工作原理-MOS晶體管的閾值電壓及輸出特點(diǎn)解析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-06-08
MOS管全稱(chēng)金屬—氧化物—半導體場(chǎng)效應晶體管或稱(chēng)金屬—絕緣體—半導體場(chǎng)效應晶體管，英文名metal oxide semiconductor，屬于場(chǎng)效應管中的絕緣柵型，因此，MOS管有時(shí)候又稱(chēng)為絕緣柵場(chǎng)效應管。
MOS管這個(gè)器件有兩個(gè)電極，分別是漏極D和源極S，無(wú)論是圖一的N型還是圖二的P型都是一塊摻雜濃度較低的P型半導體硅襯底上，用半導體光刻、擴散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+/P+區，并用金屬鋁引出漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的N/P型半導體表面復蓋一層很薄的二氧化硅（Si02）絕緣層膜，在再這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極，作為柵極G。這就構成了一個(gè)N/P溝道（NPN型）增強型MOS管。
雙極結晶體管是放大輸入電流的微小變化以產(chǎn)生輸出電流的大變化的晶體管。另一種類(lèi)型的晶體管，稱(chēng)為場(chǎng)效應晶體管（MOSFET），將輸入電壓的變化轉換為輸出電流的變化，因此FET的增益通過(guò)其跨導來(lái)測量，跨導定義為輸出電流變化與變化的比率在輸入電壓。電壓施加到稱(chēng)為其柵極的輸入端子，流過(guò)晶體管的電流取決于柵極電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)。在柵電極下面放置了絕緣板，因此MOSFET的柵極電流近似為零。
基于在絕緣層下面形成的溝道，MOS管被分類(lèi)為N溝道晶體管（NMOS）和P溝道晶體管（PMOS）。兩個(gè)晶體管的橫截面圖如圖1所示。每個(gè)晶體管應具有源極，漏極，柵極和通常稱(chēng)為體端子的背柵。在NMOS的情況下，通過(guò)將N型摻雜劑擴散到P襯底來(lái)產(chǎn)生源極和柵極，反之亦然，用于PMOS。MOS晶體管的源極和漏極是可互換的，載流子流出源極并進(jìn)入漏極。
下面解釋NMOS管工作原理。MOS晶體管有三個(gè)操作區域。
1. 截止區域（V GS TH ）
2. 三極管區域（V GS > V TH和V DS DSsat ）
3. 飽和區（V GS > V TH和V DS > V DSsat ）
最初考慮具有V GS = 0 的Tr ，即沒(méi)有施加柵極到源極電壓。它類(lèi)似于在源極和漏極之間背靠背連接的2個(gè)二極管。所以沒(méi)有電流從源流到漏極。在源極 - 襯底，漏極 - 襯底連接處也會(huì )形成耗盡區。當 V GS 電壓逐漸增加到低于閾值電壓（V TH）時(shí)，柵極下方的空穴被排斥以產(chǎn)生耗盡區，并且在源極到漏極的柵極下它變得連續。然后V GS 增加到閾值電壓即V GS > V TH 。此時(shí)，P sub中的少數載流子（電子）穿過(guò)耗盡區并到達柵極下方。此過(guò)程稱(chēng)為反轉。柵極下方的電子數量取決于電壓V GS - V TH 。
因此，由于該橫向電場(chǎng)而產(chǎn)生導電通道（圖1）。在源極和漏極之間建立通道后，V DS（漏極到源極電壓）從0逐漸增加。當V DS 當漏極相對于源極變得更正時(shí)（圖2），漏極將變?yōu)檎龢O，子極點(diǎn)會(huì )反向偏置，耗盡區變寬，由于這種橫向電場(chǎng)，電流從源極開(kāi)始流動(dòng)。漏極和電流隨著(zhù)V DS的增加而增加。因此，源極處的電位小于源極處的電位，耗盡區域在漏極附近變寬，并且溝道在此逐漸變細。
在V DS = V DSsat 時(shí)，溝道剛剛接觸漏極，相應的漏極 - 源極電壓稱(chēng)為夾斷電壓。高于飽和電壓，電流變得恒定。載體沿著(zhù)由沿著(zhù)相對弱的電場(chǎng)推動(dòng)的通道向下移動(dòng)。當它們到達夾斷區域的邊緣時(shí)，它們被強電場(chǎng)吸過(guò)耗盡區域。隨著(zhù)漏極電壓的增加，溝道兩端的電壓降不會(huì )增加; 相反，夾斷區域變寬。因此，漏極電流達到極限并且不再增加。
MOS晶體管的閾值電壓是剛好形成導電溝道所需的柵極 - 源極偏置電壓，其中晶體管的背柵（體）連接到源極。如果柵極 - 源極偏置（V GS）小于閾值電壓，則不形成溝道。給定晶體管呈現的閾值電壓取決于許多因素，包括背柵極摻雜，電介質(zhì)厚度，柵極材料和電介質(zhì)中的過(guò)量電荷。將簡(jiǎn)要檢查這些影響中的每一個(gè)。
背柵摻雜對閾值電壓有重要影響。如果背柵更重摻雜，那么反轉以形成通道變得更加困難。因此需要更強的電場(chǎng)來(lái)實(shí)現反轉，并且閾值電壓增加?？梢酝ㄟ^(guò)在柵極電介質(zhì)下方進(jìn)行淺注入來(lái)?yè)诫s溝道區域來(lái)調整MOS晶體管的背柵摻雜。這種類(lèi)型的植入物稱(chēng)為閾值調節植入物（或V TH 調節植入物）。
考慮V TH 調節注入對NMOS晶體管的影響。如果植入物由受體組成，則硅表面變得更難以反轉并且閾值電壓增加。如果植入物由供體組成，則表面變得更容易反轉并且閾值降低。如果注入足夠的施主，則硅的表面實(shí)際上可以成為反摻雜的。在這種情況下，薄的N型硅層在零柵極偏壓下形成永久溝道。隨著(zhù)柵極偏壓的增加，溝道變得更強烈地反轉。隨著(zhù)柵極偏壓的減小，溝道的反轉變得不那么強烈，并且在某些時(shí)候它會(huì )消失。
閾值電壓也由在柵電極下方使用的電介質(zhì)確定。較厚的電介質(zhì)通過(guò)將電荷分開(kāi)更大的距離來(lái)削弱電場(chǎng)。因此，較厚的電介質(zhì)增加閾值電壓，而較薄的電介質(zhì)減小閾值電壓。理論上，電介質(zhì)的材料也會(huì )影響電場(chǎng)。實(shí)際上，幾乎所有MOS晶體管都使用純二氧化硅作為柵極電介質(zhì)?？梢灾圃鞓O薄的SiO 2 層，具有純度和均勻性。因此，替代的介電材料在使用中非常罕見(jiàn)。
柵電極材料也影響晶體管的閾值電壓。在施加電壓時(shí)，電場(chǎng)由柵極和背柵材料之間的功函數的差異產(chǎn)生。最常見(jiàn)的重摻雜多晶硅用作柵電極。通過(guò)改變摻雜，多晶硅的功函數可以改變到某種程度。在柵極氧化物中或沿著(zhù)氧化物和多晶硅表面之間的界面存在過(guò)量電荷也是影響閾值電壓的主要因素。這些電荷可以是電離的雜質(zhì)原子，捕獲的載流子或結構缺陷。這些電荷的存在將改變電場(chǎng)，從而改變閾值電壓。如果捕獲的電荷量隨時(shí)間，溫度或施加的偏壓而變化，則閾值電壓也將變化。
該NMOS晶體管的閾值電壓實(shí)際上是負的。這種晶體管稱(chēng)為耗盡型NMOS，或簡(jiǎn)稱(chēng)為耗盡型NMOS。相反，具有正閾值電壓的NMOS被稱(chēng)為增強型NMOS或增強型NMOS。大多數商業(yè)制造的MOS晶體管是增強型器件，但是有一些應用需要耗盡型器件。還可以構建耗盡型PMOS。這種器件將具有正閾值電壓。
邏輯閾值電壓
由于邏輯閾值電壓是式(10.1)中的-IDS與式(10.2)中的IDS相等時(shí)的電壓，所以應用這個(gè)關(guān)系能夠求得Vin：
假如KN=Kp，即KN/KP=1，經(jīng)過(guò)選擇恰當的p溝MOS晶體管與n溝MOS晶體管的參數，可以完成｜VTP｜＝｜VTN｜，那么作為反相器，當然就能夠得到如下理想的關(guān)系：
實(shí)踐上，這樣的理想狀態(tài)是不存在的。在版圖設計中，經(jīng)過(guò)設計恰當的p溝MOS晶體管與n溝MOS晶體管的W/L比，盡可能使VTP與VTN相等，能夠得到接近1/2VDD的邏輯閾值電壓。
聯(lián)系方式：鄒先生
聯(lián)系電話(huà)：0755-83888366-8022
手機：18123972950
QQ：2880195519
聯(lián)系地址：深圳市福田區車(chē)公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1
請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關(guān)注”官方微信公眾號
請“關(guān)注”官方微信公眾號:提供 MOS管 技術(shù)幫助
