MOS管的工作原理及表示符号

根据导通沟道的载流子性质MOS管可分为NMOS管（即N沟道MOS管）与PMOS管（即P沟道MOS管）。NMOS管是指其导电沟道中的导电电荷为电子，而PMOS管则是指其导电沟道中的导电电荷为空穴。

根据沟道的导通条件（MOS管的栅／源电压VGS为0时是否存在导通沟道）MOS管又可分为增强型MOS管与耗尽型MOS管两类：增强型MOS管足指在MOS管的栅/源电压VGS为0时没有导电沟道，而必须依靠栅／源电压的作用，才能形成感生沟道的MOS管；耗尽型

MOS管则是指即使在MOS管栅／源电压VGS为0时也存在导电沟道的MOS管。这两类MOS管的基本工作原理一致，都是利用栅／源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。所以MOS管可以分为四类：增强型NMOS管、耗尽型NMOS管、增强型PMOS管及耗尽型PMOS管。

下面以增强型NMOS管与耗尽型NMOS管为例说明MOS管的工作原理。

1．增强型NMOS管的工作原理

当 NMOS管的栅极与源极短接（即NMOS管的栅／源电压VGS=O）时，源区（N+型）、衬底（P型）和漏区（N+型）形成两个背靠背的PN结，不管NMOS管的漏／源电压VDS的极性如何，其中总有一个PN结是反偏的，所以NMOS管源极与漏极之间的电阻主要为PN结的反偏电阻，基本无电流流过，即NMOS管的漏极电流ID为0。例如，如果NMOS管的源极s与衬底相连，并接到系统的最低电位，而漏极接电源正极时，漏极和衬底之间的PN结是反偏的，此时漏／源之间的电阻很大，没有形成导电沟道。

若在NMOS管的栅／源之间加l正向电压VGS（即NMOS管的栅极接高电位，源极接低电位），则栅极和P型衬底之间就形成了以栅氧（即二氧化硅）为介质的平板电容器。在正的栅／源电压作用下，介质中产生了一个垂直于硅片表面的由栅极指向P型衬底的强电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅／源电压VGS，也可产生高达lO5-lO6V/cm数量的强电场），这个强电场会排斥衬底表面的空穴而吸引电子，因此，使NMOS管栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形成了耗尽层，同时P型衬底中的少子（电子）被吸引P衬底表面，如图1.3(a)所示。当正的栅／源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，通常把这个在P型硅表面形成的N型薄层称为反型层，这个反型层实际上就构成厂源极和漏极间的N型导电沟道，如图1.3(b)所示。由于它是栅／源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。显然，栅／源电压VGS正得越多，则作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P型硅表面的电子就越多，感应沟道（反型层）将越厚，沟道电阻将越小。
感应沟道形成后，原来被P型衬底隔开的两个N+型区（源区和漏区）就通过感应沟道连接生一起。因此，在正的漏／源电压作用下，电子将从源区流向漏区，产生了漏极电流ID。一般把生漏/源电压作用下开始导电时的栅/源电压叫做NMOS管阈值电压（或开启电压）Vth。

当NMOS管的栅／源电压VGS大丁等于Vth时，外加较小的漏／源电压VDS时，漏极电流ID将随VDS上升迅速增大，此时为线性区（也可称为三极管区），但由于沟道存在电位梯度，即NMOS管的栅极与沟道间的电位差从漏极到源极逐步增大，凶此所形成的沟道厚度是不均匀的，靠近源端的沟道厚，而靠近漏端的沟道薄。

当VDS增大到一定数值，即VGD=Vth时，靠近漏端的沟道厚度接近为0，即感应沟道在漏端被夹断，如图1.3(c)所示；VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，如图1.3(d)所示。沟道被夹断后，VDS上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和而不再增加，此时NMOS管工作在饱和区，在模拟集成电路中饱和区是NMOS管的主要工作区。要注意，此时沟道虽产生了灾断，但由于漏极与沟道之间存在强电场，电子在该电场作用下被吸收到漏区而形成了从源区到漏区的电流。

另外，当VGS增加时，由于感应沟道变厚，沟道电阻减小，饱和漏极电流会相应增大。

若VDS大于某一击穿电压BVDS（二极管的反向击穿电压），漏极与衬底之间的PN结发生反向击穿，ID将急剧增加，进入雪崩区，漏极电流不经过沟道，而直接由漏极流入衬底。

注意与双极型晶体管相比，一个MOS管只要形成了导电沟道，即使在无电流流过时也可以认为是开通的。

2．耗尽型NMOS管的工作原理

耗尽型NMOS管的几何结构与增强型相同。但在制造时，在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，根据电荷感应原理，即使在VGS=O时，由于正离子的作用，在源区和漏区之间的P型衬底上感应出较多的负电荷（电子），形成N型沟道，因此即使栅／源电压为零时，在正的VDS作用下，也存在较大的漏极电流ID。如果所加的栅／源电压VGS为负，则会使沟道中感应的负，U荷减少，从而使漏极电流减小，所以称为耗尽型NMOS管，当栅／源电胀r。s更负时，则会使之不能感应出负电荷，因而不能形成感应沟道，此时的栅／源电压VGS称为耗尽型NMOS管的关断电压。当VGS>O时，由于绝缘层的存在，在沟道中感应出更多的负电荷，在VDS作用下，将形成更人的漏电流ID。

对于增强型PMOS管与耗尽型PMOS管的工作原现与N沟道MOS管相类似，不同之处在于：它所形成的是P沟道，且增强型PMOS管的阈值电压为负值，以便感应出正电荷，形成P沟道；耗尽型PMOS管的关断电压为正值。

由以上分析可知，与双极型晶体管不同，MOS管中参与导电的只有一种电荷，即NMOS管参与导电的是电子，而PMOS管参与导电的是空八。MOS管的工作状态根据漏极电流的变化可大约分为三种情况，即截止区（ID为o）、线性区（ID随VDS几乎线性变化）、饱和区(ID与VDS基本无关，保持不变)。

3．MOS管表示符号

NMOS管与PMOS管有很多种代表符号，但最具典型的符号如图1.4所示。图1·4(a)表示为四端器件，建议在模拟集成电路采用此类表示符号。

在大部分电路中，NMOS管与PMOS管的衬底端一般分别接到地与电源，所以可用三端器件[如图1.4(b)所示]，即在集成电路中如采用图1.4(b)所示的符号，则表示NMOS管与PMOS管的衬底分别默认为接地与接电源。

另外，在NMOS路中，也常用如图1.4(c)所示的开关符号来描述。图1.4(d)所示的符号为耗尽型NMOS管和PMOS管。

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