MOS管的工作機制及半導體結構-KIA MOS管

MOS管的工作機制

以增強型 MOS 管為例，我們先簡(jiǎn)單來(lái)看下MOS管的工作機制。

MOS管的工作機制：由圖結構我們可以看到 MOS 管類(lèi)似三極管，也是背靠背的兩個(gè)PN結。三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區通過(guò)電子-空穴復合來(lái)控制CE之間的導通，MOS 管則利用電場(chǎng)來(lái)在柵極形成載流子溝道來(lái)溝通DS之間。

如上圖，在開(kāi)啟電壓不足時(shí)，N區和襯底P之間因為載流子的自然復合會(huì )形成一個(gè)中性的耗盡區。給柵極提供正向電壓后，P區的少子（電子）會(huì )在電場(chǎng)的作用下聚集到柵極氧化硅下，最后會(huì )形成一個(gè)以電子為多子的區域，叫反型層，稱(chēng)為反型因為是在P型襯底區形成了一個(gè)N型溝道區。這樣DS之間就導通了。

下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的MOS管開(kāi)啟模擬：

這是MOS管電流Id隨Vgs變化曲線(xiàn)，開(kāi)啟電壓為1.65V。下圖是MOS管的IDS和VGS與VDS 之間的特性曲線(xiàn)圖，類(lèi)似三極管。

MOS管的工作機制：下面我們先從器件結構的角度看一下MOS管的開(kāi)啟全過(guò)程。

1、Vgs 對MOS 管的開(kāi)啟作用

一定范圍內 Vgs》Vth，Vds《Vgs-Vth，Vgs 越大，反型層越寬，電流越大。這個(gè)區域為 MOS 管的線(xiàn)性區（可變電阻區）。即：

Vgs 為常數時(shí)，Vds 上升，Id 近似線(xiàn)性上升，表現為一種電阻特性。

Vds 為常數時(shí)，Vgs 上升，Id 近似線(xiàn)性上升，表現出一種壓控電阻的特性。

即曲線(xiàn)左邊

2、Vds對MOS管溝道的控制

當 Vgs》Vth，Vds《Vgs-Vth 時(shí)，分析同上曲線(xiàn)左側，電流Id隨Vds上升而上升，為可變電阻區。

當 Vds》Vgs-Vth 后，我們可以看到因為DS之間的電場(chǎng)開(kāi)始導致右側的溝道變窄，電阻變大。所以電流Id增加開(kāi)始變緩慢。當Vds增大一定程度后，右溝道被完全夾斷了。

此時(shí)DS之間的電壓都分布在靠近D端的夾斷耗盡區，夾斷區的增大即溝道寬度W減小導致的電阻增大抵消了Vds對Id的正向作用，因此導致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時(shí)的D端載流子是在強電場(chǎng)的作用下掃過(guò)耗盡區達到S端。

這個(gè)區域為 MOS 管的恒流區，也叫飽和區，放大區。但是因為有溝道調制效應導致溝道長(cháng)度 L 有變化，所以曲線(xiàn)稍微上翹一點(diǎn)。

重點(diǎn)備注：MOS 管與三極管的工作區定義差別

三極管的飽和區：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。

MOS 管的飽和區：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。

3、 擊穿

Vgs 過(guò)大會(huì )導致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。

Vds 過(guò)大會(huì )導致D和襯底之間的反向PN結雪崩擊穿，大電流直接流入襯底。

半導體結構

在半導體工藝里，如何制造 MOS 管的？

這就是一個(gè) NMOS 的結構簡(jiǎn)圖，一個(gè)看起來(lái)很簡(jiǎn)單的三端元器件。具體的制造過(guò)程就像搭建積木一樣，在一定的地基（襯底）上依據設計一步步“蓋”起來(lái)。

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