1.2.1 MOS晶体管基本工作原理

本节以n沟道增强型MOS管为例，介绍NMOS晶体管的工作原理，PMOS管的原理与此相似。图1.4给出了典型NMOS的结构示意图。器件制作在轻掺杂的p型衬底（bulk或substrate）上，两个重掺杂n区形成源端（S）和漏端（D），重掺杂的多晶硅区（通常简称poly）作为栅（G），一层薄SiO2使栅与衬底隔离。器件的有效作用就发生在栅氧下的衬底区，在这种结构中的源和漏是对称的。为了便于对原理的理解，下文所用结构图均为简化结构图。图1.5为NMOS和PMOS管的电路符号，其中（a）包含晶体管的四个端子，B端为衬底端，（c）图在数字电路中习惯使用，而（b）图可以明确的区分源和漏区，对于理解MOS电路的工作过程很有帮助。

图1.4 典型N MOS的结构示意图

MOS管的衬底和源极通常是接在一起的，从图1.4可以看出，在G、S间不加电压时，由于源漏之间有两个背向的PN结，不存在导电沟道，所以在D、S间加上电压后也不会有漏极电流。

G、S间加正电压时，由于栅和衬底形成一个电容器，所以当VGS逐渐升高时，p衬底中的空穴被赶离栅区而留下负离子以镜像栅上的电荷。换句话说，就是形成了一个耗尽层，如图1.5所示。在这种情况下，由于没有载流子因此无电流流动。

图1.5 MOS器件的符号

随着VG的增加，耗尽层的宽度以及氧化物与硅界面处的电势也逐渐增加，当VGS增大到一定值时，衬底中的电子（少子）被栅极中的正电荷吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成一个n型薄层，称为反型层，如图1.7示。此反型层就构成了源漏之间的导电沟道，这时的电压VGS称为阈值电压VTH。如果VGS进一步升高，则耗尽层的电荷保持相当恒定，而沟道电荷密度继续增加，导致源漏电流增加。

图1.6 耗尽层的形成

图1.7 反型层的形成

导电沟道形成后，由于漏极电流ID沿沟道产生的压降使沟道上各点与栅极间电压差不再相等，该电压削弱了栅极中正电荷电场的作用，使沟道从源极到漏极逐渐变窄，当VDS增加到使VGD=VTH（即VDS1=VGS-VTH）时，沟道在漏极附近出现预夹断，如图1.8（a）所示。再继续增大VDS，夹断区只是稍有加长，如图1.8（b）所示，而沟道电流基本保持预夹断时的数值，此时，称器件工作于饱和区。

图1.8 NMOS晶体管的夹断过程

到目前为止，还没有考虑器件的衬底。实际上，集成电路中的MOSFET是一个四端器件，衬底端的电位对器件特性有很大影响。由于在典型的MOS工作中，源漏结二极管都必须反偏，所以认为NMOS晶体管的衬底被连接到系统的最低电压上。例如，如果一个电路在0～3V工作，则Vsub，NMOS=0。实际的连接如图1.9所示，通常衬底接触是通过一个p+欧姆区来实现的。

图1.9 NMOS管的衬底接触图

在互补MOS（CMOS）技术中，同时用到NMOS和PMOS两种器件。从简单的角度来看，PMOS器件可通过将所有掺杂类型取反（包括衬底）来实现。但实际生产中，NMOS和PMOS器件必须做在同一晶片上，也就是说做在相同的衬底上。由于这个原因，其中某一种类型的器件要做在一个“局部衬底”上（通常称为“阱”）。现在大多数CMOS工艺中，PMOS器件做在n阱中，如图1.10所示。注意在大多数电路中，n阱与电源的正极相连接以使PMOS管的源漏结在任何情况下都保持反偏。

从图1.10还可以看出NMOS和PMOS晶体管的一个区别：每个PMOS管可以处于独立的n阱中，而所有NMOS管则共享同一衬底。PMOS管的这种灵活性在一些模拟电路中被巧妙的应用。

图1.10 n阱中的MOS结构