1.2.1 MOS晶體管基本工作原理

本節以n溝道增強型MOS管為例，介紹NMOS晶體管的工作原理，PMOS管的原理與此相似。圖1.4給出了典型NMOS的結構示意圖。器件制作在輕摻雜的p型襯底（bulk或substrate）上，兩個重摻雜n區形成源端（S）和漏端（D），重摻雜的多晶硅區（通常簡稱poly）作為柵（G），一層薄SiO2使柵與襯底隔離。器件的有效作用就發生在柵氧下的襯底區，在這種結構中的源和漏是對稱的。為了便于對原理的理解，下文所用結構圖均為簡化結構圖。圖1.5為NMOS和PMOS管的電路符號，其中（a）包含晶體管的四個端子，B端為襯底端，（c）圖在數字電路中習慣使用，而（b）圖可以明確的區分源和漏區，對于理解MOS電路的工作過程很有幫助。

MOS管的襯底和源極通常是接在一起的，從圖1.4可以看出，在G、S間不加電壓時，由于源漏之間有兩個背向的PN結，不存在導電溝道，所以在D、S間加上電壓后也不會有漏極電流。

G、S間加正電壓時，由于柵和襯底形成一個電容器，所以當VGS逐漸升高時，p襯底中的空穴被趕離柵區而留下負離子以鏡像柵上的電荷。換句話說，就是形成了一個耗盡層，如圖1.5所示。在這種情況下，由于沒有載流子因此無電流流動。

隨著VG的增加，耗盡層的寬度以及氧化物與硅界面處的電勢也逐漸增加，當VGS增大到一定值時，襯底中的電子（少子）被柵極中的正電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個n型薄層，稱為反型層，如圖1.7示。此反型層就構成了源漏之間的導電溝道，這時的電壓VGS稱為閾值電壓VTH。如果VGS進一步升高，則耗盡層的電荷保持相當恒定，而溝道電荷密度繼續增加，導致源漏電流增加。

導電溝道形成后，由于漏極電流ID沿溝道產生的壓降使溝道上各點與柵極間電壓差不再相等，該電壓削弱了柵極中正電荷電場的作用，使溝道從源極到漏極逐漸變窄，當VDS增加到使VGD=VTH（即VDS1=VGS-VTH）時，溝道在漏極附近出現預夾斷，如圖1.8（a）所示。再繼續增大VDS，夾斷區只是稍有加長，如圖1.8（b）所示，而溝道電流基本保持預夾斷時的數值，此時，稱器件工作于飽和區。

到目前為止，還沒有考慮器件的襯底。實際上，集成電路中的MOSFET是一個四端器件，襯底端的電位對器件特性有很大影響。由于在典型的MOS工作中，源漏結二極管都必須反偏，所以認為NMOS晶體管的襯底被連接到系統的最低電壓上。例如，如果一個電路在0～3V工作，則Vsub，NMOS=0。實際的連接如圖1.9所示，通常襯底接觸是通過一個p+歐姆區來實現的。

在互補MOS（CMOS）技術中，同時用到NMOS和PMOS兩種器件。從簡單的角度來看，PMOS器件可通過將所有摻雜類型取反（包括襯底）來實現。但實際生產中，NMOS和PMOS器件必須做在同一晶片上，也就是說做在相同的襯底上。由于這個原因，其中某一種類型的器件要做在一個“局部襯底”上（通常稱為“阱”）。現在大多數CMOS工藝中，PMOS器件做在n阱中，如圖1.10所示。注意在大多數電路中，n阱與電源的正極相連接以使PMOS管的源漏結在任何情況下都保持反偏。

從圖1.10還可以看出NMOS和PMOS晶體管的一個區別：每個PMOS管可以處于獨立的n阱中，而所有NMOS管則共享同一襯底。PMOS管的這種靈活性在一些模擬電路中被巧妙的應用。