MOS管

MOS管

MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。MOS管是电压控制型器件，四端器件分别为栅极（Gate）,源极（Source）,漏极（Drain）,衬底/背栅（Substrate/Back gate）
MOS管根据其导电沟道载流子类型分为NMOS和PMOS，NMOS导电沟道为N型，电子参与导电；PMOS导电沟道为P型，空穴参与导电；

MOS管符号

下面是NMOS和PMOS几种常见的符号表示：
对于四端表示，G和B很容易区分，而S和D可互换，若箭头出现在衬底上，且箭头从B指向G则为NMOS（箭头从G指向B则为PMOS）；若箭头未出现在衬底上，那么有箭头的就是S，另一端便为D，当箭头从G指向S,为NMOS，当箭头从S指向G,为PMOS
对于三端表示，省略衬底（B），只画出G,S,D；G很容易区分，源漏的判断依据：有箭头的一端为S，另一端为D；当箭头从G指向S,为NMOS，当箭头从S指向G,为PMOS；

MOS管的增强型和耗尽型，

在CMOS电路中都采用增强型器件；
耗尽型可理解为栅端无需加偏压，源漏之间也有导电沟道产生；
对于NMOS，将阈值电压Vt>0的器件称为增强型NMOS，将阈值电压Vt<0的器件称为耗尽型NMOS（如上图G）
对于PMOS，将阈值电压Vt<0的器件称为增强型PMOS，将阈值电压Vt>0的器件称为耗尽型PMOS（如上图H）

MOS管结构

NMOS做在P-sub上，源漏均为重掺杂的N型注入，衬底通过重掺杂的P型注入，降低其欧姆接触电阻
PMOS做在N-sub上，源漏均为重掺杂的P型注入，衬底通过重掺杂的N型注入，降低其欧姆接触电阻
沟道上方是高质量的栅氧化层，氧化层上生长多晶硅作为栅极，利用多晶硅栅工艺，可实现源漏自对准；栅与衬底和夹在他们之间的氧化层构成了一个电容，这是MOS管的关键；
CMOS（互补型MOS）可以同时制作NMOS和PMOS（NMOS做在P阱中，PMOS做在N阱中）；

工作原理

以增强型NMOS为列，MOS管源到漏就像两个背靠背PN结，没有外加电压下，源与漏之间没有导电沟道，流过的电流只有PN结反向漏电流；当在MOS的栅源加上正向偏压Vgs（一般衬底与源极连接，所以Vgs=Vgd），栅与衬底和夹在他们之间的氧化层构成的电容，形成一个从栅指向衬底表面的的电场，该电场会排斥衬底表面的空穴向下移动，在衬底表面先形成耗尽层；随着Vgs继续增大，将吸引电子到衬底表面，形成反型层，当Vgs增大到刚好使反型层与源漏N+连通，导电沟道便产生而此时的Vgs就是阈值电压Vt；此时在源漏之间加上很小的偏压就会有电流通过；
Vgs越大，反型层越强，即导电沟道中的电子浓度越高，导电性能越好；如果Vgs不够大（Vgs<Vt时）不足以引起沟道区反型，导电沟道不会产生，MOS管仍是关闭状态；

MOS管特性曲线

MOS管工作区间有以下几个
截止区（夹断区），Vgs<Vth，MOS管没有导电沟道产生，Id≈0（实际电流为PN结的漏电流近似为0）；
线性区（变阻区），Vgs-Vth>Vds>0，Id随Vds呈线性增加，不同的Vgs对应不同的电阻，Id=Kn[(Vgs-Vth)Vds-1/2Vds^2]；
饱和区（恒流区），Vds>Vgs-Vth>0，Id基本不随Vds变化，Id的大小主要决定于电压Vgs，Id=1/2Kn(Vgs-Vth)^2;
击穿区，此时Vds过大，源漏与衬底构成的PN结承受太大的反向电压而被击穿，应该避免管子工作在该区域；

转移特性，是表示Vds一定时，Id与Vgs之间的关系,上图b表示Vds=6V时，Id随Vgs增大而增大

MOS管各工作状态下的沟道情况；

截止区（夹断区），如下图a，MOS管没有导电沟道产生，Id≈0；
线性区（变阻区），如下图b，Id随Vds呈线性增加，不同的Vgs对应不同的电阻，线性区沟道电阻R=1/Kn(Vgs-Vth)，Vgs越大导电沟道电子浓度越高，电阻越低，对应上图a I-V斜率越大；
饱和区（恒流区），如下图c，Vds=Vgs-Vth，等效于Vgd=Vgs-Vds=Vth，此时靠近漏端有效栅压为Vgd刚好等于阈值电压，达到预夹断点后；Id基本不随Vds变化；原因是因为Vds增大的同时，沟道也在成比例缩短(等效于沟道电阻随Vds的增大而呈比例的变大，如下图d)，所以最终Id不再随Vds增大而增大，趋于恒定；Id=的大小主要决定于Vgs，Id=1/2Kn(Vgs-Vth)^2;