MOS管：反型（導(dǎo)電溝道）分析講解-KIA MOS管

反型（導(dǎo)電溝道）分析

本篇主要是講解MOS管工作原理分析中，常見的溝道分析問題。MOS管的核心部分是柵極及其下面的MOS系統(tǒng)。MOSFET的工作就是通過(guò)控制MOS管的半導(dǎo)體表面勢(shì)阱——反型層（導(dǎo)電溝道）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

反型層是半導(dǎo)體材料中的一層，在某些條件下，多數(shù)載流子的類型在一定條件下變化。在通常的MOS器件中，反型層構(gòu)成導(dǎo)電溝道，是器件導(dǎo)通的原因，表面反型狀態(tài)對(duì)MOS器件至關(guān)重要。

（1）反型層（溝道）的產(chǎn)生和消除：

產(chǎn)生反型層或者使反型層消失，這都可以利用柵極電壓來(lái)加以控制。使反型層產(chǎn)生或者消失時(shí)的柵極電壓就是器件的閾值電壓VT。對(duì)于增強(qiáng)型器件，該閾值電壓稱為開啟電壓；對(duì)于耗盡型器件，該閾值電壓稱為夾斷電壓。

（2）反型層（溝道）厚度的控制：

柵極電壓可均勻地控制溝道的厚度，而源-漏電壓將使溝道厚度發(fā)生不均勻變化（源極端較寬，漏極端較窄）。對(duì)于耗盡型MOSFET，在一定的柵極電壓VGS下，當(dāng)源-漏電壓VDS較小時(shí)，溝道的導(dǎo)電性類似于電阻——有線性的輸出伏安特性；當(dāng)源-漏電壓增大到所謂飽和電壓（VDS>VGS-VT）時(shí)，即將使溝道在漏極端夾斷，這時(shí)輸出源-漏電流即達(dá)到最大——飽和輸出電流。

溝道夾斷區(qū)也是一種耗盡層，其中存在較高的電場(chǎng)，只要有載流子漂移到夾斷區(qū)的邊緣，很快就會(huì)被掃向漏極、并輸出電流。因此，溝道的夾斷不但不阻擋導(dǎo)電，相反的，而是能夠更好地導(dǎo)電；只有當(dāng)柵極電壓使得溝道從頭到尾都被夾斷——整個(gè)溝道消失以后，器件才不能導(dǎo)電，即進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

（3）反型層（溝道）中的載流子濃度很大：

因?yàn)闇系乐械纳贁?shù)載流子濃度與表面勢(shì)阱的深度（正比于柵極電壓）有指數(shù)函數(shù)關(guān)系，因此，當(dāng)柵極電壓使得半導(dǎo)體表面出現(xiàn)溝道時(shí)，溝道中的少數(shù)載流子濃度將很大（等于、甚至大于體內(nèi)的多數(shù)載流子濃度）。

從而，表面反型層對(duì)于柵極電壓具有屏蔽作用，這就是說(shuō)，當(dāng)溝道出現(xiàn)以后，柵極電壓再增大，也不會(huì)影響到反型層下面的半導(dǎo)體的狀態(tài)。

（4）反型層（溝道）下面的耗盡層厚度最大：

半導(dǎo)體表面反型層是在表面耗盡層厚度達(dá)到最大以后才出現(xiàn)的，所以反型層的下面必然存在有最大厚度的耗盡層；實(shí)際上，該耗盡層也就是所謂電場(chǎng)感應(yīng)p-n結(jié)的勢(shì)壘區(qū)。

同時(shí)，因?yàn)楸砻娣葱蛯拥钠帘巫饔茫瑒t柵極電壓再怎么增大，此耗盡層厚度也不會(huì)再增加，即保持為最大的耗盡層厚度。

雖然反型層下面的耗盡層厚度不會(huì)受到柵極電壓的影響，但是，該耗盡層將會(huì)受到所謂襯偏電壓（為加在襯底與源極之間的反向電壓）的影響。

因?yàn)橐r偏電壓本來(lái)就是加在電場(chǎng)感應(yīng)p-n結(jié)之上的反向電壓，所以反型層下面的耗盡層最大厚度還會(huì)隨著襯偏電壓的增大而展寬；這種襯偏電壓的作用，即將使得閾值電壓也隨之而有所增大，這就是所謂的襯偏效應(yīng)。

（5）反型層（溝道）的厚度很薄：

因?yàn)榉葱蛯樱系溃┲械妮d流子濃度很大，所以其厚度也相應(yīng)的很薄，一般平均約為5nm。這個(gè)厚度與反型層下面的耗盡層厚度相比，即可忽略。因此，在討論外加電壓的作用時(shí)，柵極電壓在反型層（溝道）上的壓降往往可以不必考慮。

（6）反型層（溝道）中的電荷總數(shù)量很小：

雖然反型層中的載流子濃度很大，但是由于其厚度很薄，所以在面電荷數(shù)量上，與其下面耗盡層中的空間面電荷數(shù)量相比，則還是很小的。因此，在討論MOS電容時(shí)，往往即可忽略反型層中這些電荷的影響。

（7）反型層（溝道）中的載流子是二維自由載流子：

因?yàn)榉葱蛯樱系溃┖鼙。瑒t其中的載流子被限制在勢(shì)阱內(nèi)，因此在縱向（垂直表面的方向）上，載流子的能量是量子化的（分裂為許多二維的子能帶）；但是這些載流子在平行表面的方向（橫向）上卻是自由的，所以反型層（溝道）中的載流子可以認(rèn)為是所謂二維電子氣（2-DEG）或者二維空穴氣（2-DHG）。

由于溝道中的載流子濃度很大，所以溝道的橫向?qū)щ娮饔脤?huì)很強(qiáng)。這種二維載流子氣的良好的橫向?qū)щ娞匦裕簿褪荕OSFET工作的物理基礎(chǔ)。

（8）反型層（溝道）中載流子的雙重性質(zhì)：

對(duì)于半導(dǎo)體襯底來(lái)說(shuō)，顯然反型層（溝道）中的載流子是少數(shù)載流子；但是從其中二維載流子氣的橫向?qū)щ娮饔脕?lái)看，這些載流子只能認(rèn)為是多數(shù)載流子——在源漏電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，在溝道中進(jìn)行漂移、并輸出電流。

在討論柵極電壓作用于半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生的電容效應(yīng)時(shí)，反型層（溝道）中的載流子應(yīng)該認(rèn)為是少數(shù)載流子，因此就需要考慮它們的產(chǎn)生-復(fù)合壽命，則載流子濃度的變化不可能能很迅速。

因而在高頻時(shí)即可忽略它們的影響（這實(shí)際上也就是忽略溝道載流子擴(kuò)散電容的影響）。但是在低頻時(shí)，反型層（溝道）中載流子濃度變化的影響才需要考慮。

這一點(diǎn)在分析MOS電容的C-V特性時(shí)很重要，考慮與不考慮溝道載流子對(duì)電容的貢獻(xiàn)，就是區(qū)分高頻與低頻MOS/C-V曲線的依據(jù)。

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