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第五章 MOS 场效应晶体管,1．基本结构,§ 5.1 MOS 场效应晶体管的结构和工作原理,MOS 管的基本参数主要有：沟道长度 （两个 结间的距离）；沟道宽度 ；氧化层厚度 ；漏区和源区的结深 ；衬底掺杂浓度 等上一章简单提到了金属/半导体场效应晶体管（MESFET），它的工作原理和 JEFET 的工作原理有许多类似之处如果在金属－半导体结之间加一层氧化物绝缘层（如 SiO2）就可以形成另一种场效应晶体管，即：金属/氧化物/半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，缩写 MOSFET），如上图所示本章主要以金属/SiO2/P型Si 构成的 MOS 管为例来讨论其工作原理MOS 场效应晶体管可以以半导体 Ge、Si 为材料，也可以用化合物 GaAs、InP 等材料制作，目前以使用 Si 材料的最多MOS 器件栅下的绝缘层可以选用 SiO2、Si3N4 和 Al2O3 等绝缘材料，其中使用 SiO2 最为普遍MOS 管主要是利用半导体表面效应而制成的晶体管，参与工作的只有一种载流子（即多数载流子），所以又称为单极型晶体管。

在双极型晶体管中，参加工作的不仅有多数载流子，也有少数载流子，故称为双极型晶体管1）载流子积累,2．载流子的积累、耗尽和反型,先不考虑漏极电压 ，将源极和衬底接地，如图所示如果在栅极加一负偏压（ ），就将产生由衬底指向栅极的垂直电场在电场作用下，将使空穴在半导体表面积累，而电子在金属表面积累2）载流子耗尽,如果在栅极加一正偏压（ ），就将产生由栅极指向衬底的垂直电场在此电场作用下，将造成半导体表面多子空穴耗尽（即在半导体表面感应出负电荷，这些负电荷是空间电荷，不可移动），而在金属表面感应出正电荷，如图所示3）载流子反型,若在耗尽的基础上进一步增大偏压 ，半导体表面将由耗尽逐步进入反型状态在反型层中，少子电子浓度高于本征载流子浓度，而多子空穴的浓度低于本征载流子浓度，这一层半导体由 P 型变成了 N 型在半导体表面产生电子积累，这些电子是可以移动的，如图所示达到强反型时，半导体表面附近出现的与体内极性相反的电子导电层，在 MOS 场效应晶体管中称之为导电沟道，电子导电的反型层称作 N 沟道当栅压 增加到使半导体表面积累的电子浓度等于或超过衬底内部的空穴平衡浓度 时，半导体表面达到强反型，此时所对应的栅压称为阈值电压（通常用 表示）。

当今，大多数集成电路都是同时采用 N 沟和 P 沟两种器件，称为互补 MOSFET （或CMOS）将 换成 ，而衬底不变，可形成 P 沟道3．工作过程,（1） 时的工作过程,上面分析表明，当栅极电压大于阈值电压（ ）时，在两个 区之间的 P 型半导体形成一个表面反型层（即导电沟道）于是源和漏之间被能通过大电流的 N 型表面沟道连接在一起这个沟道的电导可以通过改变栅电压 来调控背面接触（称为下栅极）可以接参考电压或负电压，这个电压也会影响沟道电导① 若加一小的漏电压 ，电子将通过沟道从源极（S）流到漏极（D）因此，沟道的作用相当于一个电阻，且漏电流 与漏电压 近似成正比这是线性区，可用一条恒定电阻的直线来表示，如图所示② 当漏电压 增加时，由于从漏极到源极存在电压降，因此，导电沟道从 逐渐变窄，甚至使 处反型层宽度减小到零这种现象叫做沟道夹断（如图所示）沟道夹断发生的地点叫夹断点，图中用 P 表示夹断时的漏电压记为 ，此时对应的漏极电流记为 ③ 夹断以后，漏电流基本上保持不变，因为当 时，夹断点左移，但夹断点的电压保持不变，即电导沟道两端的电压保持不变。

因而从漏到源的电流也不变主要变化是 的缩短载流子在 P 点注入到漏耗尽区，这与双极晶体管载流子从基区注入到集电结耗尽区的情况非常类似通过以上分析可以看到 MOSFET 的 特性和 JFET 的很相似若施加不同的栅极电压 ，可以得到如图所示的输出特性曲线2） 时的特性,当栅极施加正向电压且在 范围内时，半导体表面没有出现导电沟道，在漏极加上电压 （ ），则漏端 PN 结为反偏，流过漏源的电流很小，只是 PN 结反向饱和电流，这种工作状态称为截止状态3．MOS 场效应晶体管的分类,MOS 场效应管的分类和 JFET 的分类类似根据形成导电沟道的起因和沟道中载流子的类别，MOS 场效应晶体管可分为 N 沟和 P 沟两大类根据 时的工作状态分为增强型（ 时不存在导电沟道，只有当外加栅电压大于阈值电压时才形成导电沟道）和耗尽型（ 时已存在导电沟道，要使耗尽型 MOS 器件的沟道消失，必须施加一个栅极电压）两类因此 MOS 场效应晶体管可分为 4 种不同的类型：N 沟耗尽型、N 沟增强型、P 沟耗尽型、P 沟增强型。