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mos管的詳細介紹


首先考察一個更簡單的器件——MOS電容——能更好的理解MOS管。這個器件有兩個電極,一個是金屬,另一個是extrinsic silicon(外在硅),他們之間由一薄層二氧化硅分隔開。金屬極就是GATE,而半導體端就是backgate或者body。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric(柵介質)。圖示中的器件有一個輕摻雜P型硅做成的backgate。這個MOS 電容的電特性能通過把backgate接地,gate接不同的電壓來說明。MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導體BACKGATE在WORK FUNCTION上的差異在電介質上產生了一個小電場。在器件中,這個電場使金屬極帶輕微的正電位,P型硅負電位。這個電場把硅中底層的電子吸引到表面來,它同時把空穴排斥出表面。這個電場太弱了,所以載流子濃度的變化非常小,對器件整體的特性影響也非常小。
當MOS電容的GATE相對于BACKGATE正偏置時發生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場加強了,有更多的電子從襯底被拉了上來。同時,空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高,會出現表面的電子比空穴多的情況。由于過剩的電子,硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉被稱為inversion,反轉的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續不斷升高,越來越多的電子在表面積累,channel變成了強反轉。Channel形成時的電壓被稱為閾值電壓Vt。當GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時,不會形成channel。當電壓差超過閾值電壓時,channel就出現了。
MOS電容:(A)未偏置(VBG=0V),(B)反轉(VBG=3V),(C)積累(VBG=-3V)。
正是當MOS電容的GATE相對于backgate是負電壓時的情況。電場反轉,往表面吸引空穴排斥電子。硅表層看上去更重的摻雜了,這個器件被認為是處于accumulation狀態了。
MOS電容的特性能被用來形成MOS管。Gate,電介質和backgate保持原樣。在GATE的兩邊是兩個額外的選擇性摻雜的區域。其中一個稱為source,另一個稱為drain。假設source 和backgate都接地,drain接正電壓。只要GATE對BACKGATE的電壓仍舊小于閾值電壓,就不會形成channel。Drain和backgate之間的PN結反向偏置,所以只有很小的電流從drain流向backgate。如果GATE電壓超過了閾值電壓,在GATE電介質下就出現了channel。這個channel就像一薄層短接drain和source的N型硅。由電子組成的電流從source通過channel流到drain??偟膩碚f,只有在gate 對source電壓V 超過閾值電壓Vt時,才會有drain電流。
在對稱的MOS管中,對source和drain的標注有一點任意性。定義上,載流子流出source,流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置來決定了。有時晶體管上的偏置電壓是不定的,兩個引線端就會互相對換角色。這種情況下,電路設計師必須指定一個是drain另一個是source。
Source和drain不同摻雜不同幾何形狀的就是非對稱MOS管。制造非對稱晶體管有很多理由,但所有的最終結果都是一樣的。一個引線端被優化作為drain,另一個被優化作為source。如果drain和source對調,這個器件就不能正常工作了。
晶體管有N型channel所有它稱為N-channel MOS管,或NMOS。P-channel MOS(PMOS)管也存在,是一個由輕摻雜的N型BACKGATE和P型source和drain組成的PMOS管。如果這個晶體管的GATE相對于BACKGATE正向偏置,電子就被吸引到表面,空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累,沒有channel形成。如果GATE相對于BACKGATE反向偏置,空穴被吸引到表面,channel形成了。因此PMOS管的閾值電壓是負值。由于NMOS管的閾值電壓是正的,PMOS的閾值電壓是負的,所以工程師們通常會去掉閾值電壓前面的符號。一個工程師可能說,"PMOS Vt從0.6V上升到0.7V", 實際上PMOS的Vt是從-0.6V下降到-0.7V。
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