模擬電路設(shè)計(jì)之MOSFET

概念

MOSFET釋義：

MOSFET即金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其全稱(chēng)為METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR，顧名思義，是利用電場(chǎng)效應(yīng)去感應(yīng)電荷的晶體管，它利用柵極電壓去感應(yīng)出反型層溝道，從而使電荷能夠在溝道中移動(dòng)，即“導(dǎo)通”。

MOSFET工作原理：

MOS管的工作原理用其剖面圖來(lái)解釋最為直觀(guān)。

上圖為N型MOS管的剖面圖，可以看出這是一個(gè)四端器件，分別由柵極GATE，源極SOURCE，漏極DRAIN和體端BULK構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，在P型襯底上通過(guò)離子注入等方法產(chǎn)生兩個(gè)N阱，分別作為源極和漏極，上面再覆蓋一層氧化層作為絕緣層，再通過(guò)腐蝕等方法將部分氧化層去除后在源極、漏極、柵極上墊積金屬。

柵極和襯底由于絕緣層的存在而構(gòu)成了柵極電容，在柵極未加正電壓時(shí)，MOS管處于斷開(kāi)狀態(tài)，即使源極和漏極之間存在壓差，它們之間依然無(wú)電流流過(guò); 當(dāng)柵極加上正電壓后，柵極電容上極板正電荷往下跑，下極板負(fù)電荷往上跑，而絕緣層的存在阻隔了這個(gè)行動(dòng)，因此上極板累積正電荷，下極板感應(yīng)出同樣數(shù)量的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷在源漏之間形成了一層耗盡區(qū); 隨著柵極電壓的上升，源漏之間的負(fù)電荷累積得越來(lái)越多，當(dāng)其濃度大于等于P襯底的摻雜濃度時(shí)，耗盡區(qū)就轉(zhuǎn)變成了反型區(qū)，源漏之間能夠通過(guò)反型層連接。 這個(gè)能夠在產(chǎn)生反型層溝道的臨界電壓就是該MOS管的閾值電壓(VTH); 以上描述針對(duì)的是N型MOS管，對(duì)于P型MOS管，襯底為N型，柵極電壓應(yīng)低于源極電壓。 此時(shí)，若在源漏之間存在一定壓差，就會(huì)有電流流過(guò)。

由于MOS管結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性，原則上其沒(méi)有固定的源極和漏極，但對(duì)于P型MOS管來(lái)說(shuō)，電流流入的一端為源極，電流流出的一端為漏極，襯底接電源; 對(duì)于N型MOS管來(lái)說(shuō)，電流流入的一端為漏極，電流流出的一端為源極，襯底接地。 下面繼續(xù)以N型MOS管為例進(jìn)行分析。

左圖為在不同柵源電壓VGS下，漏源電流iDS隨漏源電壓VDS變化的曲線(xiàn)圖;右圖為漏源電流iDS隨柵源電壓VGS變化的曲線(xiàn)圖，此時(shí)漏源電壓VDS為定值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)如下幾個(gè)特性：

①當(dāng)VGS較小時(shí)，MOS管處于截止區(qū)，無(wú)電流流過(guò);

②iDS隨VDS的增大先線(xiàn)性上升(線(xiàn)性區(qū))，再趨于平緩(飽和區(qū));

③iDS隨VGS的增大呈平方律上升;

下面對(duì)上述特性依次分析，讓大家對(duì)MOS管有一個(gè)更全面的認(rèn)識(shí)。首先是截止區(qū)，器件工作在截止區(qū)的主要原因是柵極電壓太小了，還沒(méi)能把柵極下方的耗盡區(qū)轉(zhuǎn)換成反型區(qū)，也就是說(shuō)源漏之間還是斷開(kāi)的，這就不可能有電流流過(guò)了。

隨著柵極電壓的上升，當(dāng)VGS電壓到達(dá)閾值電壓時(shí)，耗盡區(qū)終于變?yōu)榉葱蛥^(qū)，源漏通過(guò)溝道連起來(lái)了，這時(shí)如果VDS還不大，器件就工作在線(xiàn)性區(qū)，如下圖所示。

可以看出反型層是均勻分布的，均勻分布的反型層可以看作均勻電阻，從源極到漏極流過(guò)的電流是接近線(xiàn)性的，因此線(xiàn)性區(qū)又叫做可變電阻區(qū)，電阻的大小和VGS電壓有關(guān)。

但隨著VDS電壓的增大，由于柵極和源極之間的壓差會(huì)大于柵極和漏極之間的壓差，因此反型層就會(huì)變得不均勻，如下圖所示。

非均勻分布的反型層，就讓器件慢慢進(jìn)入了飽和區(qū)，因?yàn)殡S著VDS電壓的上升，柵極和漏極之間就會(huì)因?yàn)閴翰畹闹饾u減小，而從反型區(qū)回到耗盡區(qū)，從而出現(xiàn)一個(gè)新的狀態(tài)——夾斷。夾斷的出現(xiàn)正是保證電流恒定和區(qū)的關(guān)鍵，因?yàn)槁O電壓過(guò)大而產(chǎn)生的耗盡區(qū)實(shí)際上是一個(gè)大電阻，此后VDS增加的電壓都會(huì)分到這個(gè)大電阻上而不是反型層上，因此可以認(rèn)為反型層上出現(xiàn)了恒壓的狀態(tài)，IDS電流也就基本恒定了。

此處插入一條公式：IDS=1/2*K'W/L(VGS-VTH)2，此處k'為工藝因子。

下面就可以根據(jù)上述過(guò)程推出MOS管進(jìn)入飽和區(qū)的條件了，即VDG≤VTH，其中VGD為柵極和漏極的壓差，VTH為MOS管開(kāi)啟的閾值電壓，當(dāng)VDG≤VTH器件就會(huì)出現(xiàn)夾斷，也就是進(jìn)入恒流的標(biāo)志。將VDG≤VTH進(jìn)行分解，就可以得到一個(gè)很經(jīng)典的MOS管進(jìn)入飽和區(qū)的條件公式：VDS>VGS-VTH。

那么，眼尖的童鞋們就會(huì)發(fā)現(xiàn)了，上面的ID/VDS圖中，當(dāng)MOS管進(jìn)入飽和區(qū)后，電流并不是一條平的直線(xiàn)，還是微微上升的呀!這時(shí)候就需要給大家?guī)?lái)今天的第一個(gè)著名效應(yīng)了，那就是溝道調(diào)制效應(yīng)，溝道調(diào)制效應(yīng)讓進(jìn)入飽和區(qū)的IDS電流受VDS影響而變得不恒流。隨著VDS電壓的上升，耗盡區(qū)其實(shí)是不斷擴(kuò)大的，這就讓反型層的實(shí)際長(zhǎng)度變短了，畢竟器件的溝道長(zhǎng)度也就只有L那么長(zhǎng)。因此，為了讓器件的恒流做的更好，會(huì)考慮把MOS管的溝道長(zhǎng)度L做長(zhǎng)些，這樣耗盡區(qū)變長(zhǎng)帶來(lái)的影響就會(huì)減小了。

此處插入一條公式：

IDS=1/2K'(VGS-VTH)2W/[L(1-λVDS)]

=1/2K'W/L(VGS-VTH)2(1+λVDS)

=1/2K'W/L(VGS-VTH)2(1+VDS/VA)，此處VA為著名的厄利電壓，VA越大說(shuō)明器件的恒流特性越好。

除了溝道調(diào)制效應(yīng)，還有一個(gè)很出名的效應(yīng)就是——襯底偏置效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)是說(shuō)假設(shè)襯底和源極不是一個(gè)電位的，這個(gè)狀態(tài)是很容易出現(xiàn)的，因?yàn)橥ǔＭ还に囍衅骷囊r底都是接一塊的，比如一般NMOS管的襯底都接在地上，這時(shí)如果源極電位比襯底電位高的話(huà)，源極和襯底首先就反偏了，在溝道里先感應(yīng)了點(diǎn)負(fù)電荷; 我們上面也說(shuō)過(guò)，柵極和襯底構(gòu)成了柵電容，下極板先感應(yīng)了負(fù)電荷，那上極板需要感應(yīng)相應(yīng)的正電荷才行，因此襯底偏置效應(yīng)會(huì)讓閾值電壓變高，也就是需要更大的VGS電壓才能讓MOS管開(kāi)啟。

最后我們來(lái)看看NMOS和PMOS的符號(hào)吧。

還有一種柵極畫(huà)圈圈的我就不畫(huà)了，圈圈代表低電平有效，柵極有圈圈的是PMOS，柵極沒(méi)有圈圈的是NMOS。