MOS晶体管的工作原理

什么是MOS晶体管

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC 。

MOS晶体管的基本结构

MOSFET是Metal-Oxide-SILicon Field Effect Transistor的英文缩写，平面型器件结构，按照导电沟道的不同可以分为NMOS和PMOS器件。MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。它是多子（多数载流子）器件。用跨导描述其放大能力。MOSFET晶体管的截面图如图1所示在图中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。


图一：MOS晶体管截面图

NMOS和PMOS在结构上完全相像，所不同的是衬底和源漏的掺杂类型。简单地说，NMOS是在P型硅的衬底上，通过选择掺杂形成N型的掺杂区，作为NMOS的源漏区；PMOS是在N型硅的衬底上，通过选择掺杂形成P型的掺杂区，作为PMOS的源漏区。如图所示，两块源漏掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。对于这种简单的结构，器件源漏是完全对称的，只有在应用中根据源漏电流的流向才能最后确认具体的源和漏。

MOS晶体管工作原理

问题双极性电路中有NPN型三极管和PNP型三极管，而CMOS电路中也有N沟道和P沟道场效应管，电路中的Q1为N沟道型，Q2为P沟道型。


图二：MOS晶体管工作原理图

1、当Vin为低电平时，Q1关断(不导通)，输出电位取决于Q2的输出，此时因为Vin为低电位，Q2导通，其输出为高电位，所以Vout为高。
2、当Vin为高电位时，Q2关断(不导通)，输出电位取决于Q1的输出，此时因为Vin为高电位，Q1导通，其输出为低电位，所以Vout为低。

MOS晶体管-工作特点

以SiO2为栅介质时，叫MOS器件，这是最常使用的器件形式。历史上也出现过以Al2O3为栅介质的MAS器件和以 Si3N4为栅介质的MNS器件，以及以SiO2+Si3N4为栅介质的MNOS器件，统称为金属-绝缘栅-半导体器件--MIS 器件。

以Al为栅电极时，称铝栅器件。以重掺杂多晶硅(Poly-Si) 为栅电极时， 称硅栅器件。它是当前MOS器件的主流器件。 硅栅工艺是利用重掺杂的多晶硅来代替铝做为MOS管的栅电极，使MOS电路特性得到很大改善，它使|VTP|下降1.1V，也容易获得合适的VTN值并能提高开关速度和集成度。

硅栅工艺具有自对准作用，这是由于硅具有耐高温的性质。栅电极，更确切的说是在栅电极下面的介质层，是限定源、漏扩散区边界的扩散掩膜，使栅区与源、漏交迭的密勒电容大大减小，也使其它寄生电容减小，使器件的频率特性得到提高。另外，在源、漏扩散之前进行栅氧化，也意味着可得到浅结。
2、当Vin为高电位时，Q2关断(不导通)，输出电位取决于Q1的输出，此时因为Vin为高电位，Q1导通，其输出为低电位，所以Vout为低。