MOS晶體管的閾值電壓及輸出解析

MOS管

MOS管全稱金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或稱金屬—絕緣體—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，英文名metal oxide semiconductor，屬于場(chǎng)效應(yīng)管中的絕緣柵型，因此，MOS管有時(shí)候又稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+/P+區(qū)，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(dǎo)體表面復(fù)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(gòu)成了一個(gè)N/P溝道（NPN型）增強(qiáng)型MOS管。

MOS管,晶體管,閾值電壓

MOS管工作原理與MOS晶體管的閾值電壓解析

雙極結(jié)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。另一種類型的晶體管，稱為場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），將輸入電壓的變化轉(zhuǎn)換為輸出電流的變化，因此FET的增益通過(guò)其跨導(dǎo)來(lái)測(cè)量，跨導(dǎo)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(yīng)具有源極，漏極，柵極和通常稱為體端子的背柵。在NMOS的情況下，通過(guò)將N型摻雜劑擴(kuò)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。

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NMOS晶體管 - 工作原理

下面解釋NMOS管工作原理。MOS晶體管有三個(gè)操作區(qū)域。

1. 截止區(qū)域（V GS TH ）

2. 三極管區(qū)域（V GS > V TH和V DS DSsat ）

3. 飽和區(qū)（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?xùn)艠O到源極電壓。它類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(qū)。當(dāng) 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(qū)，并且在源極到漏極的柵極下它變得連續(xù)。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(shù)載流子（電子）穿過(guò)耗盡區(qū)并到達(dá)柵極下方。此過(guò)程稱為反轉(zhuǎn)。柵極下方的電子數(shù)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(dǎo)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(dāng)V DS 當(dāng)漏極相對(duì)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(qū)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(qū)域在漏極附近變寬，并且溝道在此逐漸變細(xì)。

在V DS = V DSsat 時(shí)，溝道剛剛接觸漏極，相應(yīng)的漏極 - 源極電壓稱為夾斷電壓。高于飽和電壓，電流變得恒定。載體沿著由沿著相對(duì)弱的電場(chǎng)推動(dòng)的通道向下移動(dòng)。當(dāng)它們到達(dá)夾斷區(qū)域的邊緣時(shí)，它們被強(qiáng)電場(chǎng)吸過(guò)耗盡區(qū)域。隨著漏極電壓的增加，溝道兩端的電壓降不會(huì)增加; 相反，夾斷區(qū)域變寬。因此，漏極電流達(dá)到極限并且不再增加。

MOS管,晶體管,閾值電壓

MOS晶體管的閾值電壓

MOS晶體管的閾值電壓是剛好形成導(dǎo)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(xiàn)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(duì)閾值電壓有重要影響。如果背柵更重?fù)诫s，那么反轉(zhuǎn)以形成通道變得更加困難。因此需要更強(qiáng)的電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，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(qū)域來(lái)調(diào)整MOS晶體管的背柵摻雜。這種類型的植入物稱為閾值調(diào)節(jié)植入物（或V TH 調(diào)節(jié)植入物）。

考慮V TH 調(diào)節(jié)注入對(duì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。隨著柵極偏壓的增加，溝道變得更強(qiáng)烈地反轉(zhuǎn)。隨著柵極偏壓的減小，溝道的反轉(zhuǎn)變得不那么強(qiáng)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(shù)的差異產(chǎn)生。最常見(jiàn)的重?fù)诫s多晶硅用作柵電極。通過(guò)改變摻雜，多晶硅的功函數(shù)可以改變到某種程度。在柵極氧化物中或沿著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(jié)構(gòu)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(fù)的。這種晶體管稱為耗盡型NMOS，或簡(jiǎn)稱為耗盡型NMOS。相反，具有正閾值電壓的NMOS被稱為增強(qiáng)型NMOS或增強(qiáng)型NMOS。大多數(shù)商業(yè)制造的MOS晶體管是增強(qiáng)型器件，但是有一些應(yīng)用需要耗盡型器件。還可以構(gòu)建耗盡型PMOS。這種器件將具有正閾值電壓。