MOS晶體管的阈值電壓及輸出解析

MOS管

MOS管全称金属—氧化物—半导体场效应晶体管或称金属—绝缘体—半导体场效应晶体管，英文名metal oxide semiconductor，属于場效應管中的绝缘栅型，因此，MOS管有时候又称为绝缘栅場效應管。

MOS管這個器件有兩個電極，分別是漏極D和源極S，無論是圖一的N型還是圖二的P型都是一塊摻雜濃度較低的P型半導體矽襯底上，用半導體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+/P+區，並用金屬鋁引出漏極D和源極S。然後在漏極和源極之間的N/P型半導體表面複蓋一層很薄的二氧化矽（Si02）絕緣層膜，在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極，作爲柵極G。這就構成了一個N/P溝道（NPN型）增強型MOS管。

MOS管,晶体管,阈值电压

MOS管工作原理与MOS晶體管的阈值电压解析

雙極結晶體管是放大輸入電流的微小變化以産生輸出電流的大變化的晶體管。另一種類型的晶體管，稱爲場效應晶體管（MOSFET），將輸入電壓的變化轉換爲輸出電流的變化，因此FET的增益通過其跨導來測量，跨導定義爲輸出電流變化與變化的比率在輸入電壓。電壓施加到稱爲其柵極的輸入端子，流過晶體管的電流取決于柵極電壓産生的電場。在柵電極下面放置了絕緣板，因此MOSFET的柵極電流近似爲零。

基于在绝缘层下面形成的沟道，MOS管被分类为N沟道晶体管（NMOS）和P沟道晶体管（PMOS）。两个晶体管的横截面图如图1所示。每个晶体管应具有源极，漏极，栅极和通常称为体端子的背栅。在NMOS的情况下，通过将N型掺杂剂扩散到P衬底来产生源极和栅极，反之亦然，用于PMOS。MOS晶體管的源极和漏极是可互换的，载流子流出源极并进入漏极。

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NMOS晶體管 - 工作原理

下面解释NMOS管工作原理。MOS晶體管有三个操作区域。

1. 截止区域（V GS TH ）

2. 三极管区域（V GS > V TH和V DS DSsat ）

3. 饱和区（V GS > V TH和V DS > V DSsat ）

最初考虑具有V GS = 0 的Tr ，即没有施加栅极到源极电压。它类似于在源极和漏极之间背靠背连接的2个二极管。所以没有电流从源流到漏极。在源极 - 衬底，漏极 - 衬底连接处也会形成耗尽区。当 V GS 电压逐渐增加到低于阈值电压（V TH）时，栅极下方的空穴被排斥以产生耗尽区，并且在源极到漏极的栅极下它变得连续。然后V GS 增加到阈值电压即V GS > V TH 。此时，P sub中的少数载流子（电子）穿过耗尽区并到达栅极下方。此过程称为反转。栅极下方的电子数量取决于电压V GS - V TH 。

因此，由于该横向电场而产生导电通道（图1）。在源极和漏极之间建立通道后，V DS（漏极到源极电压）从0逐渐增加。当V DS 当漏极相对于源极变得更正时（图2），漏极将变为正极，子极点会反向偏置，耗尽区变宽，由于这种横向电场，电流从源极开始流动。漏极和电流随着V DS的增加而增加。因此，源极处的电位小于源极处的电位，耗尽区域在漏极附近变宽，并且沟道在此逐渐变细。

在V DS = V DSsat 时，沟道刚刚接触漏极，相应的漏极 - 源极电压称为夹断电压。高于饱和电压，电流变得恒定。载体沿着由沿着相对弱的电场推动的通道向下移动。当它们到达夹断区域的边缘时，它们被强电场吸过耗尽区域。随着漏极电压的增加，沟道两端的电压降不会增加; 相反，夹断区域变宽。因此，漏极电流达到极限并且不再增加。

MOS管,晶体管,阈值电压

MOS晶體管的阈值电压

MOS晶體管的阈值电压是刚好形成导电沟道所需的栅极 - 源极偏置电压，其中晶体管的背栅（体）连接到源极。如果栅极 - 源极偏置（V GS）小于阈值电压，则不形成沟道。给定晶体管呈现的阈值电压取决于许多因素，包括背栅极掺杂，电介质厚度，栅极材料和电介质中的过量电荷。将简要检查这些影响中的每一个。

背栅掺杂对阈值电压有重要影响。如果背栅更重掺杂，那么反转以形成通道变得更加困难。因此需要更强的电场来实现反转，并且阈值电压增加。可以通过在栅极电介质下方进行浅注入来掺杂沟道区域来调整MOS晶體管的背栅掺杂。这种类型的植入物称为阈值调节植入物（或V TH 调节植入物）。

考虑V TH 调节注入对NMOS晶體管的影响。如果植入物由受体组成，则硅表面变得更难以反转并且阈值电压增加。如果植入物由供体组成，则表面变得更容易反转并且阈值降低。如果注入足够的施主，则硅的表面实际上可以成为反掺杂的。在这种情况下，薄的N型硅层在零栅极偏压下形成永久沟道。随着栅极偏压的增加，沟道变得更强烈地反转。随着栅极偏压的减小，沟道的反转变得不那么强烈，并且在某些时候它会消失。

阈值电压也由在栅电极下方使用的电介质确定。较厚的电介质通过将电荷分开更大的距离来削弱电场。因此，较厚的电介质增加阈值电压，而较薄的电介质减小阈值电压。理论上，电介质的材料也会影响电场。实际上，几乎所有MOS晶體管都使用纯二氧化硅作为栅极电介质。可以制造极薄的SiO 2 层，具有纯度和均匀性。因此，替代的介电材料在使用中非常罕见。

柵電極材料也影響晶體管的阈值電壓。在施加電壓時，電場由柵極和背柵材料之間的功函數的差異産生。最常見的重摻雜多晶矽用作柵電極。通過改變摻雜，多晶矽的功函數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矽表面之間的界面存在過量電荷也是影響阈值電壓的主要因素。這些電荷可以是電離的雜質原子，捕獲的載流子或結構缺陷。這些電荷的存在將改變電場，從而改變阈值電壓。如果捕獲的電荷量隨時間，溫度或施加的偏壓而變化，則阈值電壓也將變化。

该NMOS晶體管的阈值电压实际上是负的。这种晶体管称为耗尽型NMOS，或简称为耗尽型NMOS。相反，具有正阈值电压的NMOS被称为增强型NMOS或增强型NMOS。大多数商业制造的MOS晶體管是增强型器件，但是有一些应用需要耗尽型器件。还可以构建耗尽型PMOS。这种器件将具有正阈值电压。