MOSFET基本工作原理

11.3 MOSFET 基本工作原理

MOS 场效应晶体管的电流之所以存在，是由于反型层以及氧化层－半导体界面相邻的沟道区中的电荷流动所至。我们已经讨论了增强型MOS 电容中反型层电荷形成的机理。我们也可以在P 型半导体的表面人为掺杂N 型杂质，以使表面反型，从而制造出耗尽型MOS 器件，这种器件在零栅压时沟道就已经存在了。

11.3.1 MOSFET 的结构

如果在MOS 电容系统中的半导体表面两端掺杂与衬底杂质类型相反的高浓度区，就会制成MOS 器件。

MOS 器件共有四种类型： N 沟道增强型MOSFET

N 沟道耗尽型MOSFET P 沟道增强型MOSFET P 沟道耗尽型MOSFET

增强型MOS 器件的含义是：氧化层下面的半导体衬底在零偏压时是不反型的。

即半导体表面不形成沟道。

耗尽型MOS 器件的含义是：氧化层下面的半导体衬底在零偏压时是反型的。即

半导体表面形成了沟道。 N 沟道增强型MOS 器件在外加电压超过其阈值电压TN V 时，半导体表面才能形成反型层沟道。形成的反型层沟道由载流子电子组成。它的阈值是正值。 P 沟道增强型MOS 器件在外加电压超过其阈值电压TP V −时，半导体表面才能形成反型层沟道。形成的反型层沟道由载流子空穴组成。它的阈值是负值。

N 沟道耗尽型MOSFET 的阈值电压为负值。必须施加负的栅压才能将沟道中已有的电子推离表面，使表面产生耗尽状态或空穴堆积状态。

P 沟道耗尽型MOSFET 的阈值电压为正值。必须施加正的栅压才能将沟道中已有的空穴推离表面，使表面产生耗尽状态或电子堆积状态。

MOSFET 是一个四端器件，分别称为： 漏极（符号表示D ）； 源极（符号表示S ） 栅极（符号表示G ） 衬底（符号表示B ）

栅极和衬底分别对应我们前面讲过的MOS 电容的栅极和衬底。 四种MOS 器件类型的电路符号和所对应的剖面图见下图

图11.35 n 沟增强型MOSFET 的剖面图和电路符号 图11.36 n 沟耗尽型MOSFET 的剖面图和电路符号

图11.37 p 沟增强型MOSFET 的剖面图和电路符号 图11.37 p 沟耗尽型MOSFET 的剖面图和电路符号

11.3.2 MOS 器件的电流电压关系的基本概念

仍以N 沟增强型MOSFET 为例。图11.38是N 沟MOSFET 器件的结构示意图。它的源和衬底相连并接地，在它的栅上施加一个小于其阈值的栅源电压 GS V ＜TN V ，在其漏极上加一非常小的漏源电压DS V 。在这种偏置下，沟道中没有电子反型层，漏极到衬底是反向偏置，此时漏极电流为零。

(a) (b)

图11.38 n 沟增强型MOSFET: (a)所加栅压GS V ＜TN V ；（b ）所加栅压GS V ＞TN V

图11.38b 所示为栅压GS V ＞TN V 的同一个MOSFET 。此时产生了电子反型层，当加一较小的源漏电压DS V 时，反型层的电子将从源极流向漏极。电流将从漏极流出沿沟道流入源极。

值得注意的是：这里我们假设在任何情况下，虽然栅氧化层存在着将电子吸入到氧化层的电场。但氧化层的绝缘性阻止了电子的进入，因此没有电流从栅氧化层流向栅极。

对于较小的DS V ，沟道区形成反型电子层具有电阻的特性，因此可得 ......(11.102)D d DS I g V =

式中的d g 为0DS V →时的沟道电导。沟道电导可由下式给出

'......(11.103)d n n W

g Q L

μ=

其中

W

L

是MOSFET 的宽长比，n μ是电子迁移率（2/cm V s −），在这里我们先假设n μ为常熟，'

n Q 是单位面积反型层电荷密度。由于反型层电荷是栅压的函数，

因此，MOSFET 的工作机理是栅压对沟道电导的调制作用，而沟道电导又决定了漏极电流的大小。

对于较小的DS V ，DS DS I V −的特征曲线如图 11.39所示。当GS V ＜T V 时，漏

极电流为零（曲线与平行与DS V 轴）。当GS V ﹥T V 时，沟道中反形层电荷密度'

n Q 增

大，从而增大了沟道电导，表现为曲线的斜率增大（实线）。GS V 越大，沟道中反

形层电荷密度'n Q 就越大，沟道电导就越大，曲线的斜率就越大。

图11.39 DS V 较小时，三个不同的GS V 对应的DS DS I V −的特征曲线

图11.40 GS V ﹥T V 时的器件剖面和DS DS I V −曲线：(a) DS V 较小时（沟道反型层电荷，耗尽区）

图11.40 GS V ﹥T V 时的器件剖面和DS DS I V −曲线：(b) DS V 稍大时（沟道反型层电荷，耗尽区）

图11.40 GS V ﹥T V 时的器件剖面和DS DS I V −曲线：

(c) DS V ＝()DS sat V 时（沟道反型层电荷，耗尽区）

图11.40 GS V ﹥T V 时的器件剖面和DS DS I V −曲线：(c) DS V ＞()DS sat V 时（沟道反型层电荷，饱和区） 该效应示于图11.40c 中。此时，漏端的电导为零，这意味着DS DS I V −曲线的斜率为零。我们可以写为

()......(11.104)GS DS T V V sat V a −=

或

()......(11.104)GS T DS V V V sat b −=

式中的()DS V sat 是在漏端产生零反型电荷密度时的漏源电压。称为漏源饱和电压。

当DS V ＞()DS V sat 时，沟道中反型层电荷为零的点随漏源电压的增大逐渐移向源端。这时，从源端进入沟道的电子在到达电荷为零点处，被漏端的电场扫入漏端。如果假设沟道长度的变化L Δ相对于初始的沟道长度而言很小，那么当

DS V ＞()DS V sat 时漏极电流为一常数。这种情形在DS DS I V −特征曲线中对应于饱和区。图11.40d 显示了此种情形的示意图。

当GS V 改变时，DS DS I V −特征曲线将有所变化。如果GS V 增大，DS DS I V −曲线的斜率也会增大，由于()GS T DS V V V sat −=，所以漏源饱和电压是栅源电压的函数。由此我们可以画出N 沟道增强型MOSFET 的曲线族，如图11.41所示。

图11.41 N 沟增强型MOSFET 的DS

DS I V −曲线 图11.43 N 沟耗尽型MOSFET 的DS DS I V −曲线

图11.42是N 沟耗尽型MOSFET 的剖面示意图。如果N 沟道区是由金属－半导体功函数差和固定氧化层电荷形成的电子反型层，那么，电流－电压特性曲线就和我们先前讲述的一样，只是T V 为负值。

我们还可以考虑另一种情况，即N 沟区是一个N 型半导体区。在这类器件中，负栅压可以在栅氧化层下的沟道区产生一个空间电荷区，从而减小N 沟道区的厚度，进而减小沟道电导和沟道电流；正的栅压可以产生一个电子堆积层，从而增大漏电流。值得注意的是这类器件需满足一定的条件，即沟道的厚度必须小于最大空间电荷区厚度dT x ，不然的话，就不能使沟道夹断。常见的N 沟耗尽型MOSFET 的DS DS I V −特性曲线示于图 11.43中。

下面我们将推导n 沟MOSFET 的理想电流电压方程。在非饱和区，我们将得到

()2

2......(11.105)2n ox D GS T DS DS W C I V V V V L

μ⎡⎤=−−⎣⎦