前文新邦微小編帶大家了解了MOS管的4種分類以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，相信朋友們已經(jīng)對(duì)MOS管有了初步的了解,。那么MOS管是如何工作的呢?帶著這個(gè)疑問,，接下來就隨新邦微小編一起了解下：MOS管的工作原理,。

　　一,、N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管原理

　　N溝道增強(qiáng)型MOS管,，在P型半導(dǎo)體上形成SiO2膜絕緣層,，然后通過光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)域,，從N型區(qū)域引出電極(漏極D,、源極S);在源極與漏極之間的SiO2絕緣層上涂一層金屬鋁作為柵極G;P型半導(dǎo)體又叫做襯底,，用符號(hào)B表示。NMOS也被稱為絕緣格柵場(chǎng)效應(yīng)管,，因?yàn)楦駯艠O與其他電極相互絕緣,。

　　當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即VGS=0時(shí),，漏極和源極之間隔有P型襯底,，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012Ω,，即D,、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無論在泄漏,、源極之間加何種極性的電壓,，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。

　　N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖

　　如果將襯底B與源極S短接,，把正電壓加在柵極G與源極S之間,，即VGS>0，如上圖所示,，格柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由格柵極指向襯底的電場(chǎng),。在這個(gè)電場(chǎng)的作用下,，P襯底表面附近的孔被排除在外，將向下移動(dòng),。電子被電場(chǎng)吸引到襯底表面,，與襯底表面的孔結(jié)合形成耗盡層。

　　如果進(jìn)一步提高VGS電壓,，使VGS達(dá)到某一電壓VT時(shí),，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層,，由量變到質(zhì)變,，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”,，如圖表3(b)所示,。

　　如果把VGS電壓進(jìn)一步提高，使VGS達(dá)到一定電壓VT,，P襯底表面孔都被排斥和耗盡,，自由電子被大量吸引到表面層，從量變到質(zhì)變,，使表面層成為自由電子為多子的N型層,，稱為“反型層”。

　　反向?qū)舆B接漏極D和源極S兩個(gè)N+區(qū)域,，形成漏極和源極之間的N型導(dǎo)電溝,。用VGS將導(dǎo)電溝開始形成所需的VGS值稱為閾值電壓或開啟電壓VGS(th)表示。顯然,，只有VGS>>VGS(th)只有這樣才有溝道,，VGS越大，溝道越厚,，溝道的導(dǎo)電阻越小,，導(dǎo)電能力越強(qiáng);“增強(qiáng)型”一詞也是由此產(chǎn)生的。

　　耗盡層與反型層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)示意圖

　　VGS>VGS(th)在這種情況下,，如果在漏極D和源極S之間增加正電壓VDS,，導(dǎo)電溝就會(huì)有電流流通。漏極電流從漏區(qū)流向源區(qū),。由于溝道有一定的電阻,，沿溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位從漏區(qū)逐漸減小到源區(qū),。漏區(qū)一端附近的電壓VGD最小,，值為VGD=VGS-VDS，相應(yīng)的溝道最薄,，靠近源區(qū)一端的電壓最大,，等于VGS,，相應(yīng)的溝道最厚。

　　這樣就使得溝道厚度不再是均勻的,，整個(gè)溝道呈傾斜狀,。隨著VDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄,。

　　當(dāng)VDS增大到某一臨界值,，使VGD≤VGS(th)時(shí)，漏端的溝道消失,，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”,，如圖表4(a)所示,。繼續(xù)增大VDS[即VDS>VGS-VGS(th)]，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng),，如上圖(b)所示,。

　　這使得溝道厚度不再均勻，整個(gè)溝道呈傾斜狀,。隨著VDS的增加,，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

　　當(dāng)VDS增加到某個(gè)臨界值時(shí),，使VGDS≤VGS(th)當(dāng)漏端的溝道消失時(shí),，只剩下耗盡層，這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”,。繼續(xù)增加VDS[即VDS>>VGS-VGS(th)],，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)。

　　雖然夾斷點(diǎn)在移動(dòng),，但溝道區(qū)域(源極S到夾斷點(diǎn))的電壓降沒有改變,，仍等于VGS-VGS(th)。所以,，VDS多余部分電壓[VDS-(VGS-VGS(th))]所有這些都降到了夾斷區(qū)域,，并在夾斷區(qū)域內(nèi)形成了一個(gè)強(qiáng)大的電場(chǎng)。此時(shí),，電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)域,。當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)域的邊緣時(shí)，夾斷區(qū)域的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)迅速漂移到漏極,。

　　預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

　　二,、P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管原理

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過光刻,、擴(kuò)散的方法或其他手段,，在N型襯底(基片)上制作出兩個(gè)摻雜的P區(qū),，分別引出電極(源極S和漏極D)，同時(shí)在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬柵極G,。其結(jié)構(gòu)和工作原理與N溝道MOS管類似;只是使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反,。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管，以在N型襯底中生成P型反型層命名,。主要通過光刻,、擴(kuò)散或其他手段，在N型襯底(基板)上制作兩個(gè)混合P區(qū),，分別引出電極(源極S和漏極D),，在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬格柵G。其結(jié)構(gòu)和工作原理與N溝道MOS管相似,，但使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反,。

　　正常工作時(shí)，P溝道增強(qiáng)型MOS管的襯底需要與源極相連,，漏極對(duì)源極的電壓VDS應(yīng)為負(fù)值,，以確保兩個(gè)P區(qū)與襯底之間的PN結(jié)為反偏。同時(shí),，為了在襯底頂表面附近形成導(dǎo)電溝,，柵極對(duì)源極的電壓也應(yīng)為負(fù)。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖

　　當(dāng)VDS=0時(shí),，在柵源之間增加負(fù)電壓比,，由于絕緣層的存在，所以沒有電流,，但金屬柵極被補(bǔ)充收集負(fù)電荷,，N型半導(dǎo)體中的多子電子被負(fù)電荷排斥到體內(nèi)，表面留下正電離子,，形成耗盡層,。

　　隨著G、S之間負(fù)電壓的增加,，耗盡層加寬,。當(dāng)VDS增加到一定值時(shí)，襯底中的孔隙(少子)被柵極中的負(fù)電荷吸引到表面,，在耗盡層和絕緣層之間形成P形薄層,，稱為反型層，如下圖(2)所示,。

　　這個(gè)反型層就構(gòu)成漏源之間的導(dǎo)電溝道,，此時(shí)的VGS稱為開啟電壓VGS(th)，達(dá)到VGS(th)然后，襯底表面感應(yīng)孔越多,，反向?qū)釉綄?，耗盡層的寬度不再改變，使我們可以利用VGS的大小來控制導(dǎo)電溝的寬度,。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖

　　當(dāng)VDS≠0點(diǎn),，導(dǎo)電溝形成后，當(dāng)增加D,、S之間的負(fù)電壓時(shí),，源極與漏極之間會(huì)有漏極電流ID流通，ID會(huì)隨著VDS的增加而增加,。沿溝道ID產(chǎn)生的壓降使溝道上各點(diǎn)與柵極之間的電壓不再相等,。電壓削弱了柵極中負(fù)電荷電場(chǎng)的作用，逐漸縮小了從漏極到源極的溝道,，如圖上圖(1)所示,。

　　當(dāng)VDS增加到VGD=VGS(即VDS=VGS-VGS(TH))，預(yù)夾斷出現(xiàn)在泄漏極附近,，如上圖(2)所示。然后繼續(xù)增加VDS,，夾斷區(qū)域只是稍微延長(zhǎng),，溝道電流基本上保持預(yù)夾斷裂的值，原因是當(dāng)預(yù)夾斷裂繼續(xù)增加VDS時(shí),，VDS的所有多余部分都添加到泄漏極附近的夾緊區(qū)域,，因此泄漏電流ID近似與VDS無關(guān)。

　　P溝道增強(qiáng)型MOS管預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

　　三,、N溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管原理

　　N溝道耗盡型MOS管,，它的結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)型MOS管相似，唯一不同的是,，當(dāng)柵極電壓VGS=0時(shí),，N溝耗盡MOS管已經(jīng)存在。這是因?yàn)镹溝在制造過程中采用了離子注入法,、大量的金屬正離子混合在D,、S之間的襯底表面和格柵極下的SiO2絕緣層中，這也被稱為初始溝道,。

　　當(dāng)VGS=0時(shí),，這些正離子已經(jīng)感應(yīng)到反型層并形成溝道，因此只要有泄漏電壓,，就會(huì)有泄漏電極電流;當(dāng)VGS>0時(shí),，ID將進(jìn)一步增加;VGS<0時(shí)，隨著VGS的減小,，漏極電流逐漸減小,，直到ID=0,。與ID=0相對(duì)應(yīng)的VGS稱為夾斷電壓或閾值電壓，使用符號(hào)VGS(off)或UP表示,。

　　由于耗盡型MOSFET在VGS=0中已經(jīng)存在泄漏之間的溝道,，只要增加VDS，就會(huì)有ID流通,。如果增加正向柵壓VGS,，柵極與襯底之間的電場(chǎng)將使溝道中感應(yīng)到更多的電子，溝道變厚,，溝道的導(dǎo)電性增加,。

　　如果在柵極上增加負(fù)電壓(即VGS<0)，則在相應(yīng)的襯底表面感應(yīng)正電荷,，抵消N溝道中的電子,，從而在襯底表面產(chǎn)生耗盡層，縮小溝道,，降低溝道電導(dǎo)率,。當(dāng)負(fù)網(wǎng)格壓力增加到某個(gè)電壓VGS時(shí)(off)當(dāng)耗盡區(qū)擴(kuò)展到整個(gè)溝道時(shí)，溝道完全斷裂(耗盡),，即使VDS仍然存在,，也不會(huì)產(chǎn)生漏極電流，即ID=0,。

　　N溝道耗盡型MOS管結(jié)構(gòu)(左)及轉(zhuǎn)移特性(右)示意圖

　　四,、P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管原理

　　P溝道耗盡型MOS管，工作原理與N溝道耗盡型MOS管完全相同,，只不過導(dǎo)電的載流子不同,，供電電壓極性也不同。