细说mos管工作原理

    

细说mos管工作原理

双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后,在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比(beta)。另一种晶体管,叫做mos管(fet),把输入电压的变化转化为输出电流的变化。分别为电流控制器件和电压控制器件。fet的增益等于它的跨导?(transconductance)gm,定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。

mos管的名字也来源于它的输入端栅(称为gate),通过投影一个电场在一个绝缘层(氧化物sio2)上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体(只是一个电容的作用),所以fet管的gate电流非常小(电容的电流损耗)。最普通的fet用一薄层二氧化硅来作为gate极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(mos)晶体管,或,金属氧化物半导体场效应管(mosfet)(metaloxidesemicondutor?fieldeffecttransistor)。因为mos管更小更省电,所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。

首先考察一个更简单的器件-mos电容-能更好的理解mos管。这个器件有两个电极,一个是金属,另一个是extrinsicsilicon(衬底),他们之间由一薄层二氧化硅分隔开(图1.22a)。金属极就是gate,而半导体端就是backgate或者bodyorbulkorbackground。他们之间的绝缘氧化层称为gatedielectric。图示中的器件有一个轻掺杂p型硅做成的backgate。这个mos电容的电特性能通过把backgate接地,gate接不同的电压来说明。图1.22a中的mos电容的gate电位是0v。金属gate和半导体backgate在workfunction(也可以说是物质组成上)上的差异在电介质(氧化层的上下)上产生了一个小电场。图示的器件中,这个电场使金属极带轻微的正电位(是因为下面衬底是p型的空穴多,电子少,故需要从别处"抢来"电子,所以氧化物处电子少了,故gate极带正电),p型硅负电位(相对电子多了)。这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来,它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了,所以载流子浓度的变化非常小,对器件整体的特性影响也非常小。

图1.22b中是当mos电容的gate相对于backgate正偏置(pn结)时发生的情况。穿过gatedielectric的电场加强了,有更多的电子从衬底被拉了上来。同时,空穴被排斥出表面。随着gate电压的升高,会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子,硅表层看上去就像n型硅。掺杂极性的反转被称为"反型"(inversion),反转的硅层叫做channel(n?pmos的命名就是根据这里来的)。随着gate电压的持续不断升高,越来越多的电子在表面积累,channel变成了强反转。channel形成时的电压被称为阈值电压vt。当gate和backgate之间的电压差小于阈值电压时,不会形成channel。当电压差超过阈值电压时,channel就出现了。(其实还有个亚阈值状态vgs

图1.22mos电容:(a)未偏置(vbg=0v),(b)反转(vbg=3v),(c)积累(vbg=-3v)。

图1.22c中是当mos电容的gate相对于backgate是负电压时的情况(就好像给二极管的pn结加上正电压)。电场反转,往表面吸引空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了,这个器件被认为是处于accumulation(电荷积累)状态了。

mos电容的特性能被用来形成mos管。图1.23a是最终器件的截面图。gate,电介质和backgate保持原样。在gate的两边是两个额外的选择性掺杂的区域。其中一个称为source,另一个称为drain。假设source和backgate都接地,drain接正电压。只要gate对backgate的电压仍旧小于阈值电压,就不会形成channel。drain和?backgate之间的pn结反向偏置,所以只有很小的电流从drain流向backgate。如果gate电压超过了阈值电压,在gate电介质下就出现了channel。这个channel就像一薄层短接drain和source的n型硅。由电子组成的电流从source通过channel流到?drain。总的来说,只有在gate?对source电压v超过阈值电压vt时,才会有drain电流。

图1.23mosfet晶体管的截面图:nmos(a)和pmos(b)。在图中,s=source,g=gate,d=drain。虽然backgate图上也有,但没有说明。

mos管的source和drain是可以对调的,他们都是在p型backgate中形成的n型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。在对称的mos管中,对soure和drain的标注有一点任意性。定义上,载流子流出source,流入drain。因此source和drain的身份就靠器件的偏置来决定了。有时晶体管上的偏置电压是不定的,两个引线端就会互相对换角色。这种情况下,电?路设计师必须指定一个是drain另一个则是source。

source和drain不同掺杂不同几何形状的就是非对称mos管。制造非对称晶体管有很多理由,但所有的最终结果都是一样的。一个引线端被优化作为drain,另一个被优化作为source。如果drain和source对调,这个器件就不能正常工作了。 图1.23a中的晶体管有n型channel所有它称为n-channelmos管,或nmos。p-channelmos(pmos)管也存在。图1.23b中就是一个由轻掺杂的n型backgate和p型source和drain组成的pmos管。如果这个晶体管的gate相对于backgate正向偏置,电子就被吸引到表面,空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累,没有channel形成。如果gate相对于?backgate反向偏置,空穴被吸引到表面,channel形成了。因此pmos管的阈值电压是负值。由于nmos管的阈值电压是正的,pmos的阈值?电压是负的,所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能说,“pmos?vt从0.6v上升到0.7v”,?实际上pmos的vt是从-0.6v下降到-0.7v。

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     收录时间:2016-11-15 18:00 来源:凯泰电子  作者:mos管
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