MOS管理论基础_IT分享知识网

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一块集成电路芯片，所有元器件集成再一个衬底上。
高掺杂区，MOS管的有源区。两个有源区，分别为源极，和漏极。
有源区之间的衬底表面，生成绝缘层，将衬底与其上多晶硅隔离。
多晶硅，掺杂浓度越高，导电性能越好。

在晶体管三个电极施加电压，氧化层下面衬底表面产生感应电场，通过改变电场强度，控制导电能力。这样的晶体管，称为：场效应管（FET）；由于栅极与其他金属电极之间绝缘，称为绝缘栅场效应管。

晶体管的金属栅极和衬底之间使用氧化物作为绝缘层，又称为金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor，MOS)

MOS管参数

参数示意图：

源极道漏极的长度，L，即【晶体管特征尺寸】
垂直于L方向的宽W， $\frac{W}{L}$ 宽长比，晶体管最基本的参数之一
有源区的长度E
栅氧化层的垂直厚度， $T_{ox}$
在制造过程中，源 / 漏结横向扩散， $L_{eff}=L-2L_D$ ， $L_{eff}$ 有效沟道长度

MOS管符号

衬底用B表示
NMOS管衬底接【地】 ，电位较低的称为源极，电位较高称为漏极
PMOS管衬底接【电源】，电位较低的称为漏极，电位较高的称为源极

MOS管工作原理

1.为加电压

栅极、源极之间加正向栅电压 $V_{GS}$ 。当 $V_{GS}$ =0，NMOS的两个有源区被衬底分隔，源极和漏极之间没有电流流动

2. 形成反型层

当 $V_{GS}$ >0，形成了从栅极指向衬底的垂直电场 E_V 。

电子被吸引，向表面运动；空穴被排斥，向下运动。
向上的电子与表面的空穴复合，形成耗尽层
随着 $V_{GS}$ 升高，电场越强，耗尽层越厚
$V_{GS}$ 上升到一定电位，形成反型层，将两个有源区联通，构成导电沟道

3. 预夹断

导电沟道形成后，漏极加电压 $V_{DS}$ >0，从漏极到源极产生水平电场，导致电子从源极向漏极一动，形成沟道电流
由漏极沿沟道至源极产生压降，栅极和源极电压 $V_{GS}$ 最高，漏极电压 $V_{GD}$ 最低
沟道垂直电场沿源到漏方向逐渐变弱，导致沟道变窄
随着 $V_{DS}$ 进一步增加，当 $V_{DS}=V_{GS}-V_{th}$ 时，沟道在漏极一端恰好消失，称为预夹断。此时的 $V_{DS}$ 记作 $V_{DS sat}$ ，称作驱动电压

4. 夹断

当漏极电位继续上升，V_{GS}-V_{th}”>，漏极的反型层消失，出现由耗尽层构成的夹断区
$V_{DS}-V_{DS sat}$ 的全部电压落在夹断区，夹断区内形成较强的横向电场
沟道电流保持恒定
若 $V_{GS}$ 、 $V_{DS}$ 继续上升，会损坏MOS

MOS管的 I-V特性

1. 截止区

$V_{GS}<V_{th}$

导电沟道未形成， I_D=0

2. 线性区

V_{th}” />

当 $0<V_{DS}<V_{GS}-V_{th}$ 时，沟道电流： $I_D=\mu _nC_{ox}\times \frac{W}{L}[(V_{DS}-V_{th})V_{DS}-\frac{1}{2}V_{DS}^2]$

$\mu _n$ ，沟道内电子迁移率，愈大，在相同水平电场强度下，电子的移动速度越快，电流越大
$C_{ox}$ ，栅氧化层单位面积电容，越大，意味着栅氧厚度越薄，栅极电压对沟道电流的控制作用越强，在相同的控制电压下，电流越大
L，沟道长度，越短，沟道内水平电场越强，电流越大
W，沟道宽度，越宽，单位时间横截面内通过的电子越多，电流越大

3. 饱和区

$V_{GS}\geqslant V_{th}$

当 $V_{DS}\geqslant V_{GS}-V_{th}$ 时， $I_D=\frac{1}{2}\mu _nC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2$

4. 击穿区

NMOS管的漏极-衬底PN结，被击穿，电流 I_D 急剧上升。

NMOS I-V特性曲线

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