MOS管的工作機制及半導體結構-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-01-25
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：由圖結構我們可以看到 MOS 管類似三極管，也是背靠背的兩個PN結。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-空穴復合來控制CE之間的導通，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構的角度看一下MOS管的開啟全過程。
1、Vgs 對MOS 管的開啟作用
一定范圍內 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 為常數時，Vds 上升，Id 近似線性上升，表現為一種電阻特性。
Vds 為常數時，Vgs 上升，Id 近似線性上升，表現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，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之間的電場開始導致右側的溝道變窄，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減小導致的電阻增大抵消了Vds對Id的正向作用，因此導致電流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)。但是因為有溝道調制效應導致溝道長度 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 過大會導致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。
Vds 過大會導致D和襯底之間的反向PN結雪崩擊穿，大電流直接流入襯底。
半導體結構
在半導體工藝里，如何制造 MOS 管的？
這就是一個 NMOS 的結構簡圖，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）上依據設計一步步“蓋”起來。
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