MOS管：反型（导电沟道）分析讲解-KIA MOS管

反型（导电沟道）分析

本篇主要是讲解MOS管工作原理分析中，常见的沟道分析问题。MOS管的核心部分是栅极及其下面的MOS系统。MOSFET的工作就是通过控制MOS管的半导体表面势阱——反型层（导电沟道）来实现的。

反型层是半导体材料中的一层，在某些条件下，多数载流子的类型在一定条件下变化。在通常的MOS器件中，反型层构成导电沟道，是器件导通的原因，表面反型状态对MOS器件至关重要。

（1）反型层（沟道）的产生和消除：

产生反型层或者使反型层消失，这都可以利用栅极电压来加以控制。使反型层产生或者消失时的栅极电压就是器件的阈值电压VT。对于增强型器件，该阈值电压称为开启电压；对于耗尽型器件，该阈值电压称为夹断电压。

（2）反型层（沟道）厚度的控制：

栅极电压可均匀地控制沟道的厚度，而源-漏电压将使沟道厚度发生不均匀变化（源极端较宽，漏极端较窄）。对于耗尽型MOSFET，在一定的栅极电压VGS下，当源-漏电压VDS较小时，沟道的导电性类似于电阻——有线性的输出伏安特性；当源-漏电压增大到所谓饱和电压（VDS>VGS-VT）时，即将使沟道在漏极端夹断，这时输出源-漏电流即达到最大——饱和输出电流。

沟道夹断区也是一种耗尽层，其中存在较高的电场，只要有载流子漂移到夹断区的边缘，很快就会被扫向漏极、并输出电流。因此，沟道的夹断不但不阻挡导电，相反的，而是能够更好地导电；只有当栅极电压使得沟道从头到尾都被夹断——整个沟道消失以后，器件才不能导电，即进入截止状态。

（3）反型层（沟道）中的载流子浓度很大：

因为沟道中的少数载流子浓度与表面势阱的深度（正比于栅极电压）有指数函数关系，因此，当栅极电压使得半导体表面出现沟道时，沟道中的少数载流子浓度将很大（等于、甚至大于体内的多数载流子浓度）。

从而，表面反型层对于栅极电压具有屏蔽作用，这就是说，当沟道出现以后，栅极电压再增大，也不会影响到反型层下面的半导体的状态。

（4）反型层（沟道）下面的耗尽层厚度最大：

半导体表面反型层是在表面耗尽层厚度达到最大以后才出现的，所以反型层的下面必然存在有最大厚度的耗尽层；实际上，该耗尽层也就是所谓电场感应p-n结的势垒区。

同时，因为表面反型层的屏蔽作用，则栅极电压再怎么增大，此耗尽层厚度也不会再增加，即保持为最大的耗尽层厚度。

虽然反型层下面的耗尽层厚度不会受到栅极电压的影响，但是，该耗尽层将会受到所谓衬偏电压（为加在衬底与源极之间的反向电压）的影响。

因为衬偏电压本来就是加在电场感应p-n结之上的反向电压，所以反型层下面的耗尽层最大厚度还会随着衬偏电压的增大而展宽；这种衬偏电压的作用，即将使得阈值电压也随之而有所增大，这就是所谓的衬偏效应。

（5）反型层（沟道）的厚度很薄：

因为反型层（沟道）中的载流子浓度很大，所以其厚度也相应的很薄，一般平均约为5nm。这个厚度与反型层下面的耗尽层厚度相比，即可忽略。因此，在讨论外加电压的作用时，栅极电压在反型层（沟道）上的压降往往可以不必考虑。

（6）反型层（沟道）中的电荷总数量很小：

虽然反型层中的载流子浓度很大，但是由于其厚度很薄，所以在面电荷数量上，与其下面耗尽层中的空间面电荷数量相比，则还是很小的。因此，在讨论MOS电容时，往往即可忽略反型层中这些电荷的影响。

（7）反型层（沟道）中的载流子是二维自由载流子：

因为反型层（沟道）很薄，则其中的载流子被限制在势阱内，因此在纵向（垂直表面的方向）上，载流子的能量是量子化的（分裂为许多二维的子能带）；但是这些载流子在平行表面的方向（横向）上却是自由的，所以反型层（沟道）中的载流子可以认为是所谓二维电子气（2-DEG）或者二维空穴气（2-DHG）。

由于沟道中的载流子浓度很大，所以沟道的横向导电作用将会很强。这种二维载流子气的良好的横向导电特性，也就是MOSFET工作的物理基础。

（8）反型层（沟道）中载流子的双重性质：

对于半导体衬底来说，显然反型层（沟道）中的载流子是少数载流子；但是从其中二维载流子气的横向导电作用来看，这些载流子只能认为是多数载流子——在源漏电压产生的电场作用下，在沟道中进行漂移、并输出电流。

在讨论栅极电压作用于半导体表面而产生的电容效应时，反型层（沟道）中的载流子应该认为是少数载流子，因此就需要考虑它们的产生-复合寿命，则载流子浓度的变化不可能能很迅速。

因而在高频时即可忽略它们的影响（这实际上也就是忽略沟道载流子扩散电容的影响）。但是在低频时，反型层（沟道）中载流子浓度变化的影响才需要考虑。

这一点在分析MOS电容的C-V特性时很重要，考虑与不考虑沟道载流子对电容的贡献，就是区分高频与低频MOS/C-V曲线的依据。

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