MOS管的工作原理及表示符號

根據導通溝道的載流子性質MOS管可分為NMOS管（即N溝道MOS管）與PMOS管（即P溝道MOS管）。NMOS管是指其導電溝道中的導電電荷為電子，而PMOS管則是指其導電溝道中的導電電荷為空穴。

根據溝道的導通條件（MOS管的柵／源電壓VGS為0時是否存在導通溝道）MOS管又可分為增強型MOS管與耗盡型MOS管兩類：增強型MOS管足指在MOS管的柵/源電壓VGS為0時沒有導電溝道，而必須依靠柵／源電壓的作用，才能形成感生溝道的MOS管；耗盡型

MOS管則是指即使在MOS管柵／源電壓VGS為0時也存在導電溝道的MOS管。這兩類MOS管的基本工作原理一致，都是利用柵／源電壓的大小來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。所以MOS管可以分為四類：增強型NMOS管、耗盡型NMOS管、增強型PMOS管及耗盡型PMOS管。

下面以增強型NMOS管與耗盡型NMOS管為例說明MOS管的工作原理。

1．增強型NMOS管的工作原理

當 NMOS管的柵極與源極短接（即NMOS管的柵／源電壓VGS=O）時，源區（N+型）、襯底（P型）和漏區（N+型）形成兩個背靠背的PN結，不管NMOS管的漏／源電壓VDS的極性如何，其中總有一個PN結是反偏的，所以NMOS管源極與漏極之間的電阻主要為PN結的反偏電阻，基本無電流流過，即NMOS管的漏極電流ID為0。例如，如果NMOS管的源極s與襯底相連，并接到系統的最低電位，而漏極接電源正極時，漏極和襯底之間的PN結是反偏的，此時漏／源之間的電阻很大，沒有形成導電溝道。

若在NMOS管的柵／源之間加l正向電壓VGS（即NMOS管的柵極接高電位，源極接低電位），則柵極和P型襯底之間就形成了以柵氧（即二氧化硅）為介質的平板電容器。在正的柵／源電壓作用下，介質中產生了一個垂直于硅片表面的由柵極指向P型襯底的強電場（由于絕緣層很薄，即使只有幾伏的柵／源電壓VGS，也可產生高達lO5-lO6V/cm數量的強電場），這個強電場會排斥襯底表面的空穴而吸引電子，因此，使NMOS管柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，留下不能移動的受主離子（負離子），形成了耗盡層，同時P型襯底中的少子（電子）被吸引P襯底表面，如圖1.3(a)所示。當正的柵／源電壓達到一定數值時，這些電子在柵極附近的P型硅表面便形成了一個N型薄層，通常把這個在P型硅表面形成的N型薄層稱為反型層，這個反型層實際上就構成廠源極和漏極間的N型導電溝道，如圖1.3(b)所示。由于它是柵／源正電壓感應產生的，所以也稱感生溝道。顯然，柵／源電壓VGS正得越多，則作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P型硅表面的電子就越多，感應溝道（反型層）將越厚，溝道電阻將越小。
感應溝道形成后，原來被P型襯底隔開的兩個N+型區（源區和漏區）就通過感應溝道連接生一起。因此，在正的漏／源電壓作用下，電子將從源區流向漏區，產生了漏極電流ID。一般把生漏/源電壓作用下開始導電時的柵/源電壓叫做NMOS管閾值電壓（或開啟電壓）Vth。

當NMOS管的柵／源電壓VGS大丁等于Vth時，外加較小的漏／源電壓VDS時，漏極電流ID將隨VDS上升迅速增大，此時為線性區（也可稱為三極管區），但由于溝道存在電位梯度，即NMOS管的柵極與溝道間的電位差從漏極到源極逐步增大，兇此所形成的溝道厚度是不均勻的，靠近源端的溝道厚，而靠近漏端的溝道薄。

當VDS增大到一定數值，即VGD=Vth時，靠近漏端的溝道厚度接近為0，即感應溝道在漏端被夾斷，如圖1.3(c)所示；VDS繼續增加，將形成一夾斷區，且夾斷點向源極靠近，如圖1.3(d)所示。溝道被夾斷后，VDS上升時，其增加的電壓基本上加在溝道厚度為零的耗盡區上，而溝道兩端的電壓保持不變，所以ID趨于飽和而不再增加，此時NMOS管工作在飽和區，在模擬集成電路中飽和區是NMOS管的主要工作區。要注意，此時溝道雖產生了災斷，但由于漏極與溝道之間存在強電場，電子在該電場作用下被吸收到漏區而形成了從源區到漏區的電流。

另外，當VGS增加時，由于感應溝道變厚，溝道電阻減小，飽和漏極電流會相應增大。

若VDS大于某一擊穿電壓BVDS（二極管的反向擊穿電壓），漏極與襯底之間的PN結發生反向擊穿，ID將急劇增加，進入雪崩區，漏極電流不經過溝道，而直接由漏極流入襯底。

注意與雙極型晶體管相比，一個MOS管只要形成了導電溝道，即使在無電流流過時也可以認為是開通的。

2．耗盡型NMOS管的工作原理

耗盡型NMOS管的幾何結構與增強型相同。但在制造時，在二氧化硅絕緣層中摻入大量的正離子，根據電荷感應原理，即使在VGS=O時，由于正離子的作用，在源區和漏區之間的P型襯底上感應出較多的負電荷（電子），形成N型溝道，因此即使柵／源電壓為零時，在正的VDS作用下，也存在較大的漏極電流ID。如果所加的柵／源電壓VGS為負，則會使溝道中感應的負，U荷減少，從而使漏極電流減小，所以稱為耗盡型NMOS管，當柵／源電脹r。s更負時，則會使之不能感應出負電荷，因而不能形成感應溝道，此時的柵／源電壓VGS稱為耗盡型NMOS管的關斷電壓。當VGS>O時，由于絕緣層的存在，在溝道中感應出更多的負電荷，在VDS作用下，將形成更人的漏電流ID。

對于增強型PMOS管與耗盡型PMOS管的工作原現與N溝道MOS管相類似，不同之處在于：它所形成的是P溝道，且增強型PMOS管的閾值電壓為負值，以便感應出正電荷，形成P溝道；耗盡型PMOS管的關斷電壓為正值。

由以上分析可知，與雙極型晶體管不同，MOS管中參與導電的只有一種電荷，即NMOS管參與導電的是電子，而PMOS管參與導電的是空八。MOS管的工作狀態根據漏極電流的變化可大約分為三種情況，即截止區（ID為o）、線性區（ID隨VDS幾乎線性變化）、飽和區(ID與VDS基本無關，保持不變)。

3．MOS管表示符號

NMOS管與PMOS管有很多種代表符號，但最具典型的符號如圖1.4所示。圖1·4(a)表示為四端器件，建議在模擬集成電路采用此類表示符號。

在大部分電路中，NMOS管與PMOS管的襯底端一般分別接到地與電源，所以可用三端器件[如圖1.4(b)所示]，即在集成電路中如采用圖1.4(b)所示的符號，則表示NMOS管與PMOS管的襯底分別默認為接地與接電源。

另外，在NMOS路中，也常用如圖1.4(c)所示的開關符號來描述。圖1.4(d)所示的符號為耗盡型NMOS管和PMOS管。

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