解析MOS效应晶体管的结构特性及工作原理分析

“金属-氧化物-半导体场效应晶体管”不要误称为“晶体管”虽然MOSFET是一种能起电压和功率放大的三端有源器件，但它却完全不同于通常的p-n结晶体管。MOS晶体管是一种电压控制的器件，其工作取决于电场效应。

MOS效应晶体管有两种完全不同的类型。N-型沟道的元件依电子的电导而工作，而P-型沟道元件的工作则依赖于穴的电导。我们只考虑N-型沟道的晶体管，而P-型沟道的器件可以仿效时论。

N-型沟道MOS晶体管是由一片薄的，轻度掺杂的P-型硅衬底构成的，在中扩散进两个彼此毗邻的高掺杂磷的N-型区。衬底电阻率的典型值为1到10（欧姆-厘米）之间。两个N-型区被为1密耳（25·4微米）或着更小的间隙所隔离。间隙区域的上面生长着一层二氧化硅的绝缘薄层。然后在如图1-1所示的结构上分别置以三个电极。这些电极示记为“源（S）、漏（D）和栅（G）。

通常把这类器件称为绝缘栅效应晶体管，其原因就是存在着二氧化硅的绝缘层。场效应晶体管不 漏任何像p-n结晶体管那样的基极电流也是由于存在着该绝缘层的结果。这层绝缘层使MOS晶体管的栅极具有极高的输入阻抗，而且也解释了MOS器件为电压控制的内在特性。

二氧化硅栅极绝缘层是很薄的（一般为2000埃或者更薄些），当栅极施加电压时，它能承受氧化层上很高的电场强度。正像下一节我们要看到的那样，电场又会使氧化层下面的硅表面形成N-型反型层，此反型层的深度及其在零栅压时自由载流子（电子）密度是许多变量的面数，这个问题下一节也要研究。这个区城之所以称为反型层是由于P-型半导体内存在着表面沟道，而沟道中的电子恰为少数载流子。

如果衬底接地，而在栅极上施加正电压，电场指向就垂直地通过氧化层。由于绝缘层的电阻率比半导体大得多，因而，假定栅极到衬底的全部电压都加到层上是切合实际的。这样，只有在辐缘层内才有电场存在。绝缘层上电场的方向使原来的反型层扩张。由于电场仅仅存在于绝缘层上，因而，绝缘层-半导体界面处的ε矢量是不连续的，也就是说界面上必有表面电荷存在。这样，栅极上施加正电压时就把P-型材料中的少数戴流子—电子吸引到表面。结果，电场就终止在这一负电荷的薄层上。自由电子的薄层在表面诱生，“增强”了原来的反型层。在这一薄层下面，其它电子和P-型材料中的受主原子结合形成一层耗尽层，在此耗尽层，所有的空穴都被耗尽，而仅仅留下不移动的离化了的受主。再往体内，材料又逐渐地变成P-型。当然，这种电荷分布的具体情无随着电场的强度也就是随着栅极所加正电压的不同而变化。表面沟道区的电荷分布情况示于图1-2。

正的栅压产生如图1-2所示的电场，这样的电场方向“增强”其表面处原来存在的N-型反型层。同样地，负的栅压将“减弱”其表面反型层。实际上这说明了MOS绝缘栅场效应管可能有的两种工作方式。对于 N-型在栅压负时可以工作。只有在零栅压时，就有反型层（反型层在施加负栅压时会被耗尽）的器件才可能以耗尽型的方式工作。

栅极电位控制了N-型表面沟道的大小，因而也就决定了源漏之间的导带电子的密度。这样漏源之间的电子导电的通道就可自由控制。漏-源之间的电导随其正栅压的升高而增大。漏源电压足够低时，MOSFET能起电控可调电阻的作用（即通过电学特性的控制来调变其沟道电阻-译者注）。输上，对于P-型沟道器件，增强型和耗尽型两种元件都能够制作。除了衬底为N-型材料，而漏、源为重掺杂的P-型（硼）区之外，其结构与N-型元件是类同的。

由于绝缘层-半导体界面的固有特性，半导体表面通常为N-型，而村底本身却为P-型或者N-型材料，因而制造P-型沟道耗尽型晶体管是有困难的，直到如今市场上尚无这种产品出售。

通常，栅极电压为零时，增强型器件没有反型层存在·耗尽型器件则有反型层存在。耗尽型元件较为重耍，因为它（包括N-型和P-型两种元件）在施加正、负两种栅压时都可以满意地进行工作。

所谓“增强型”的工作方式，就是指N-型沟道器件工作时栅压要大于零；而P-型沟道器件工作时，栅压应为负的。所翻“耗尽型”的工作方式，意指N-型沟道器件，以负栅压进行工作，P-型沟道器件则以正栅压进行工作。上述所有的况，元件都要加上相适的偏压。

因为结构本身具有固有的对称性，因而，增强型MOSFET里的漏区和源区之间没有本质的区别。不过，通常在电路工作时就要决定究竟哪一个电极是源，哪一个电极是漏，否则就无法加上偏压。就N-型沟道MOS晶体管来说，外加电位最负的N+扩散区定为源，与此相仿，对于P-型沟道MOS晶体管而言，源为电位最正的P+扩散区。应该指出，许多晶体管的几何形状，其漏和源的结构是不对称的此外，有些商售的MOSFET，其源极在内部就和村底相连。这些情况，漏和源的功能是不可互换的。

N-型和P-型沟道元件的典型特性示于图1-3和1-4。所有MOSFET漏电流对漏-源电压特性的平面可以划分为三个不同的区域。漏-源电压较低，而近于原点的区城叫做可调电阻区漏-源电压愈低特性曲钱的斜率趋于增加漏-源电压居中的区域，曲线逐盆平坦，实际上变成恒电流。这就是所翻的能和电流区或者叫饱和区。漏源电压较高的区域，曲钱的科率开始又以恒定的速率增大，此区即所翻“雪崩击穿区”。这三个区在下面几章都要逐一地加以讨论。

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