MOS管：反型（導電溝道）分析講解-KIA MOS管

反型（導電溝道）分析

本篇主要是講解MOS管工作原理分析中，常見的溝道分析問題。MOS管的核心部分是柵極及其下面的MOS系統。MOSFET的工作就是通過控制MOS管的半導體表面勢阱——反型層（導電溝道）來實現的。

反型層是半導體材料中的一層，在某些條件下，多數載流子的類型在一定條件下變化。在通常的MOS器件中，反型層構成導電溝道，是器件導通的原因，表面反型狀態對MOS器件至關重要。

（1）反型層（溝道）的產生和消除：

產生反型層或者使反型層消失，這都可以利用柵極電壓來加以控制。使反型層產生或者消失時的柵極電壓就是器件的閾值電壓VT。對于增強型器件，該閾值電壓稱為開啟電壓；對于耗盡型器件，該閾值電壓稱為夾斷電壓。

（2）反型層（溝道）厚度的控制：

柵極電壓可均勻地控制溝道的厚度，而源-漏電壓將使溝道厚度發生不均勻變化（源極端較寬，漏極端較窄）。對于耗盡型MOSFET，在一定的柵極電壓VGS下，當源-漏電壓VDS較小時，溝道的導電性類似于電阻——有線性的輸出伏安特性；當源-漏電壓增大到所謂飽和電壓（VDS>VGS-VT）時，即將使溝道在漏極端夾斷，這時輸出源-漏電流即達到最大——飽和輸出電流。

溝道夾斷區也是一種耗盡層，其中存在較高的電場，只要有載流子漂移到夾斷區的邊緣，很快就會被掃向漏極、并輸出電流。因此，溝道的夾斷不但不阻擋導電，相反的，而是能夠更好地導電；只有當柵極電壓使得溝道從頭到尾都被夾斷——整個溝道消失以后，器件才不能導電，即進入截止狀態。

（3）反型層（溝道）中的載流子濃度很大：

因為溝道中的少數載流子濃度與表面勢阱的深度（正比于柵極電壓）有指數函數關系，因此，當柵極電壓使得半導體表面出現溝道時，溝道中的少數載流子濃度將很大（等于、甚至大于體內的多數載流子濃度）。

從而，表面反型層對于柵極電壓具有屏蔽作用，這就是說，當溝道出現以后，柵極電壓再增大，也不會影響到反型層下面的半導體的狀態。

（4）反型層（溝道）下面的耗盡層厚度最大：

半導體表面反型層是在表面耗盡層厚度達到最大以后才出現的，所以反型層的下面必然存在有最大厚度的耗盡層；實際上，該耗盡層也就是所謂電場感應p-n結的勢壘區。

同時，因為表面反型層的屏蔽作用，則柵極電壓再怎么增大，此耗盡層厚度也不會再增加，即保持為最大的耗盡層厚度。

雖然反型層下面的耗盡層厚度不會受到柵極電壓的影響，但是，該耗盡層將會受到所謂襯偏電壓（為加在襯底與源極之間的反向電壓）的影響。

因為襯偏電壓本來就是加在電場感應p-n結之上的反向電壓，所以反型層下面的耗盡層最大厚度還會隨著襯偏電壓的增大而展寬；這種襯偏電壓的作用，即將使得閾值電壓也隨之而有所增大，這就是所謂的襯偏效應。

（5）反型層（溝道）的厚度很薄：

因為反型層（溝道）中的載流子濃度很大，所以其厚度也相應的很薄，一般平均約為5nm。這個厚度與反型層下面的耗盡層厚度相比，即可忽略。因此，在討論外加電壓的作用時，柵極電壓在反型層（溝道）上的壓降往往可以不必考慮。

（6）反型層（溝道）中的電荷總數量很小：

雖然反型層中的載流子濃度很大，但是由于其厚度很薄，所以在面電荷數量上，與其下面耗盡層中的空間面電荷數量相比，則還是很小的。因此，在討論MOS電容時，往往即可忽略反型層中這些電荷的影響。

（7）反型層（溝道）中的載流子是二維自由載流子：

因為反型層（溝道）很薄，則其中的載流子被限制在勢阱內，因此在縱向（垂直表面的方向）上，載流子的能量是量子化的（分裂為許多二維的子能帶）；但是這些載流子在平行表面的方向（橫向）上卻是自由的，所以反型層（溝道）中的載流子可以認為是所謂二維電子氣（2-DEG）或者二維空穴氣（2-DHG）。

由于溝道中的載流子濃度很大，所以溝道的橫向導電作用將會很強。這種二維載流子氣的良好的橫向導電特性，也就是MOSFET工作的物理基礎。

（8）反型層（溝道）中載流子的雙重性質：

對于半導體襯底來說，顯然反型層（溝道）中的載流子是少數載流子；但是從其中二維載流子氣的橫向導電作用來看，這些載流子只能認為是多數載流子——在源漏電壓產生的電場作用下，在溝道中進行漂移、并輸出電流。

在討論柵極電壓作用于半導體表面而產生的電容效應時，反型層（溝道）中的載流子應該認為是少數載流子，因此就需要考慮它們的產生-復合壽命，則載流子濃度的變化不可能能很迅速。

因而在高頻時即可忽略它們的影響（這實際上也就是忽略溝道載流子擴散電容的影響）。但是在低頻時，反型層（溝道）中載流子濃度變化的影響才需要考慮。

這一點在分析MOS電容的C-V特性時很重要，考慮與不考慮溝道載流子對電容的貢獻，就是區分高頻與低頻MOS/C-V曲線的依據。

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