MOS管的工作機制及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)-KIA MOS管

MOS管的工作機制

以增強型 MOS 管為例，我們先簡單來看下MOS管的工作機制。

MOS管的工作機制：由圖結(jié)構(gòu)我們可以看到 MOS 管類似三極管，也是背靠背的兩個PN結(jié)。三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區(qū)通過電子-空穴復(fù)合來控制CE之間的導(dǎo)通，MOS 管則利用電場來在柵極形成載流子溝道來溝通DS之間。

如上圖，在開啟電壓不足時，N區(qū)和襯底P之間因為載流子的自然復(fù)合會形成一個中性的耗盡區(qū)。給柵極提供正向電壓后，P區(qū)的少子（電子）會在電場的作用下聚集到柵極氧化硅下，最后會形成一個以電子為多子的區(qū)域，叫反型層，稱為反型因為是在P型襯底區(qū)形成了一個N型溝道區(qū)。這樣DS之間就導(dǎo)通了。

下圖是一個簡單的MOS管開啟模擬：

這是MOS管電流Id隨Vgs變化曲線，開啟電壓為1.65V。下圖是MOS管的IDS和VGS與VDS 之間的特性曲線圖，類似三極管。

MOS管的工作機制：下面我們先從器件結(jié)構(gòu)的角度看一下MOS管的開啟全過程。

1、Vgs 對MOS 管的開啟作用

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

Vgs 為常數(shù)時，Vds 上升，Id 近似線性上升，表現(xiàn)為一種電阻特性。

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

即曲線左邊

2、Vds對MOS管溝道的控制

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

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

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

這個區(qū)域為 MOS 管的恒流區(qū)，也叫飽和區(qū)，放大區(qū)。但是因為有溝道調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)致溝道長度 L 有變化，所以曲線稍微上翹一點。

重點備注：MOS 管與三極管的工作區(qū)定義差別

三極管的飽和區(qū)：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。

MOS 管的飽和區(qū)：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。

3、 擊穿

Vgs 過大會導(dǎo)致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。

Vds 過大會導(dǎo)致D和襯底之間的反向PN結(jié)雪崩擊穿，大電流直接流入襯底。

半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

在半導(dǎo)體工藝里，如何制造 MOS 管的？

這就是一個 NMOS 的結(jié)構(gòu)簡圖，一個看起來很簡單的三端元器件。具體的制造過程就像搭建積木一樣，在一定的地基（襯底）上依據(jù)設(shè)計一步步“蓋”起來。

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