MOS场效应晶体管的电压特性曲线及工作基础原理

如将-高电导率电极放到紧邻轻掺杂半导体衬底的表面附近，并在相对于衬底的电极上加-电压，则该电压对半导体表面的电子性质会产生显著的影响。特别是，如使用n型硅作为衬底的材料，则在导电电极上施加大的正电压时，将吸引更多的可动负电荷（电子），使其集中到硅表面上，形成电子积累。另外，如在电极上施加-负电压，则电子受到排斥而离开硅表面，因而，表面附近的可动电荷完全耗尽，虽然非可动正电荷留在这里，形成电离施主型杂质。如外加负电压增大，作为n型硅内少数载流子的可动正电荷（空穴）被吸引到表面，形成-导电层，其中空穴为多数载流子。在这种情况下，硅表面称为“反型”。MOS管的工作基础原理。与此类似，如硅衬底是p型的，对电极施加大的负电压，即形成表面积累层，而当外加电压为正时，则形成表面反型层。以上描述的简单现象通常称为“表面场效应”，它是MOS场效应晶体管和其它有关的绝缘栅电子器件工作的基础原理。

MOS场效应晶体管有两种不同的类型：n沟道MOS场效应晶体管是借横向外加电压影响下的电子表面电导来工作的；而在p沟道器件中引起电流的电荷载流子是空穴。对于相同的衬底掺杂浓度而言，硅中电子的迁移率明显地大于空穴的迁移率，因此，n沟道MOS晶体管的工作速度一般大于用类似方法制作的p沟道器件。p沟道MOS场效应晶体管的横截面见图1.1。器件包括两个间隔很近的简并掺杂p⁺区，即在轻掺杂n型硅衬底上扩散而形成的“漏区”和“源区”。在典型情况下，两个扩散区的间距约为十分之几个密耳^·。在富氧环境中，以高温使硅表面氧化，即在上述两个p⁺扩散区之间的区域的上面直接形成二氧化硅薄绝缘层。两个扩散区都装有金属接点，通常是用铝做成，在漏区和源区之间有一将该区域完全覆盖的栅电极。如前所述，栅电极必须用高电导率材料制成。通常也用铝作为栅极材料，但对于应用重掺杂多品硅以及金，钮，铂，镍，铬等金属制作栅极，也进行了大量的研究工作。虽然栅电极不一定需要金属，绝缘物也不一定需要氧化物制作，但金属-氧化物-半导体（MOS）一词一般是指比较常见的栅极结构，这种结构有一个金属电极，用薄氧化层与下面的半导体衬底隔开。n沟道MOS场效应晶体管的结构与图1.1所示的器件相似，但n⁺区是在p型硅衬底中扩散形成的。

^· 1密耳=10^-3英寸=25.4微米——译者注

MOS场效应晶体管的漏极区和源极区没有实质上的区别，因为该结构具有固有的对称性质。哪个区域是源极，哪个区域是漏极，一般是由偏压条件决定的。对于p沟道MOS晶体管，电势最正的p⁺区定为源极区。与此类似，n沟道器件中，电势最负的n⁺区定为源极区。在多数应用中，MOS场效应晶体管的衬底和源极通常保持相同的电势。

多数p沟道MOS场效应晶体管通常为增强型器件。亦即当漏极上施加一个相对于源极的负电压，而外加栅-源电压等于零时，在漏源之间没有电流。再次考察图1.1，具有零栅压的两个p⁺扩散区之间的硅表面上不存在导电沟道，当外加负漏源电压时，因为漏结具有反偏压，没有横向电流经过结构。然而，如在栅电极上相对于源极外加一个大的负电压，则直接在栅电极下面的硅上形成一个p型表面反型层，在漏源之间提供一个导电沟道，结果在这两个区域之间有一定强度的电流通过。因此，可以看到，p沟道增强型MOS场效应晶体管当栅电压等于零时将处于“正常截止”状态，而外加负栅电压时，即可“导通”。这样的器件应用于数字开关极为有用。

为获得表面反型，从而在漏区和源区之间形成电导所需的栅-源电压被定义为晶体管的“阈电压”。在正常情况下，处于切断状态的增强型MOS场效应晶体管中，p沟道组态的阀电压为负值，n沟道组态的阈电压为正值。可是用轻掺杂p型硅衬底制作的n沟道MOS场效应晶体管通常在零栅压下处于“正常导通”状态。这种器件称为耗尽型，因为它们的电导由于应用极性同漏极电压相反的栅电压而“耗尽”。因此，只有应用负栅-源电压才能使n沟道耗尽型MOS场效应晶体管“截止”，所以器件的阈电压是负的。在硅表面附近的二氧化硅上有一固定正电荷层，因此n沟道MOS晶体管通常是耗尽型的。MOS管的工作基础原理。用n型和p型硅衬底制作的器件中都存在着这种固定正电荷层。因为氧化层中的固定正电荷可以吸引其下方硅内数值相等符号相反的电荷，这样在n型衬底的表面容易形成积累层，而在轻掺杂的p型衬底上则易于形成n型表面反型层。（如p型衬底中的掺杂浓度足够高，虽然不能形成表面反型层，但是氧化层中的固定正电荷的影响可以减小硅表面附近可动正电荷载流子（空穴）的浓度。）对于耗尽型器件，在零栅压条件下，漏源之间之所以有电流通过，就是因为有表面反型层。

不难看出，由于MOS场效应晶体管具有绝缘栅电极，它是一种电压控制器件，而不象通常的结型双极晶体管是一种电流放大结构，后者依赖微小的基极-发射极电流控制数值大得多的集电极-发射极电流。因为MOS晶体管的栅电极具有极高的输入阻抗，人们常把它看作真空三极管的固态模拟。两种器件固有的差别是：MOS晶体管的栅电极实际调节漏和源这两个电流运载电极之间的半导电区域的电导率，而真空三极管的栅极可以建立一个阻碍电子从阴极流开元游戏官网极的减速电势场。MOS场效应晶体管的三端电特性也与真空三极管的电特性颇不相同。如对不同的栅-源电压值作出漏电流一外加漏源电压曲线，则通过观测所得到的特性曲线通常显示：当漏电压近似等于栅电压与阈电压之差时，漏电流达到饱和；这样的器件具有典型五极管的性质。

一般来说，MOS场效应晶体管的三端电特性可以分成三个区域。在外加漏电压是够小，比栅压与阈电压之差小很多时，常栅压下的漏电流随漏电压的增加而线性增加，器件的特性类似于变压电阻器，漏源电阻随外加栅源电势的增加而稳定地减小。在这样的条件下，可以认为MOS场效应晶体管是在可变电阻区工作。当外加漏源电压增加且大于栅压与阀电压之差时，漏电流趋向饱和，相对保持不变，且与漏电压无关。漏电流的饱和是导电表面沟道漏区端部附近形成耗尽区的直接结果。当器件在这样条件下工作时，就可以说是在饱和电流区工作。这个区有一有趣的特性，就是漏电流达到饱和以后近似地同栅压与阈电压之差的平方成正比。当外加漏电压的数值非常大时，漏二极管发生雪崩击穿，漏电流随漏电压的增加而猛增。这时，可以说器件是在雪崩击穿区工作。MOS场效应晶体管的这三个工作区将在以后各章中详述。MOS管的工作基础原理。p和n沟道增强型器件的典型电流-电压特性曲线见图1.2和1.3。对于每一个场效应晶体管，上述三个不同的工作区域是显而易见的。

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