模拟电路设计之MOSFET

概念

MOSFET释义：

MOSFET即金属-氧化物-半导体场效应晶体管，其全称为METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR，顾名思义，是利用电场效应去感应电荷的晶体管，它利用栅极电压去感应出反型层沟道，从而使电荷能够在沟道中移动，即“导通”。

MOSFET工作原理：

MOS管的工作原理用其剖面图来解释最为直观。

上图为N型MOS管的剖面图，可以看出这是一个四端器件，分别由栅极GATE，源极SOURCE，漏极DRAIN和体端BULK构成，其结构也比较简单，在P型衬底上通过离子注入等方法产生两个N阱，分别作为源极和漏极，上面再覆盖一层氧化层作为绝缘层，再通过腐蚀等方法将部分氧化层去除后在源极、漏极、栅极上垫积金属。

栅极和衬底由于绝缘层的存在而构成了栅极电容，在栅极未加正电压时，MOS管处于断开状态，即使源极和漏极之间存在压差，它们之间依然无电流流过; 当栅极加上正电压后，栅极电容上极板正电荷往下跑，下极板负电荷往上跑，而绝缘层的存在阻隔了这个行动，因此上极板累积正电荷，下极板感应出同样数量的负电荷，这些负电荷在源漏之间形成了一层耗尽区; 随着栅极电压的上升，源漏之间的负电荷累积得越来越多，当其浓度大于等于P衬底的掺杂浓度时，耗尽区就转变成了反型区，源漏之间能够通过反型层连接。 这个能够在产生反型层沟道的临界电压就是该MOS管的阈值电压(VTH); 以上描述针对的是N型MOS管，对于P型MOS管，衬底为N型，栅极电压应低于源极电压。 此时，若在源漏之间存在一定压差，就会有电流流过。

由于MOS管结构上的对称性，原则上其没有固定的源极和漏极，但对于P型MOS管来说，电流流入的一端为源极，电流流出的一端为漏极，衬底接电源; 对于N型MOS管来说，电流流入的一端为漏极，电流流出的一端为源极，衬底接地。 下面继续以N型MOS管为例进行分析。

左图为在不同栅源电压VGS下，漏源电流iDS随漏源电压VDS变化的曲线图;右图为漏源电流iDS随栅源电压VGS变化的曲线图，此时漏源电压VDS为定值。从图中可以发现如下几个特性：

①当VGS较小时，MOS管处于截止区，无电流流过;

②iDS随VDS的增大先线性上升(线性区)，再趋于平缓(饱和区);

③iDS随VGS的增大呈平方律上升;

下面对上述特性依次分析，让大家对MOS管有一个更全面的认识。首先是截止区，器件工作在截止区的主要原因是栅极电压太小了，还没能把栅极下方的耗尽区转换成反型区，也就是说源漏之间还是断开的，这就不可能有电流流过了。

随着栅极电压的上升，当VGS电压到达阈值电压时，耗尽区终于变为反型区，源漏通过沟道连起来了，这时如果VDS还不大，器件就工作在线性区，如下图所示。

可以看出反型层是均匀分布的，均匀分布的反型层可以看作均匀电阻，从源极到漏极流过的电流是接近线性的，因此线性区又叫做可变电阻区，电阻的大小和VGS电压有关。

但随着VDS电压的增大，由于栅极和源极之间的压差会大于栅极和漏极之间的压差，因此反型层就会变得不均匀，如下图所示。

非均匀分布的反型层，就让器件慢慢进入了饱和区，因为随着VDS电压的上升，栅极和漏极之间就会因为压差的逐渐减小，而从反型区回到耗尽区，从而出现一个新的状态——夹断。夹断的出现正是保证电流恒定和区的关键，因为漏极电压过大而产生的耗尽区实际上是一个大电阻，此后VDS增加的电压都会分到这个大电阻上而不是反型层上，因此可以认为反型层上出现了恒压的状态，IDS电流也就基本恒定了。

此处插入一条公式：IDS=1/2*K'W/L(VGS-VTH)²，此处k'为工艺因子。

下面就可以根据上述过程推出MOS管进入饱和区的条件了，即VDG≤VTH，其中VGD为栅极和漏极的压差，VTH为MOS管开启的阈值电压，当VDG≤VTH器件就会出现夹断，也就是进入恒流的标志。将VDG≤VTH进行分解，就可以得到一个很经典的MOS管进入饱和区的条件公式：VDS>VGS-VTH。

那么，眼尖的童鞋们就会发现了，上面的ID/VDS图中，当MOS管进入饱和区后，电流并不是一条平的直线，还是微微上升的呀!这时候就需要给大家带来今天的第一个著名效应了，那就是沟道调制效应，沟道调制效应让进入饱和区的IDS电流受VDS影响而变得不恒流。随着VDS电压的上升，耗尽区其实是不断扩大的，这就让反型层的实际长度变短了，毕竟器件的沟道长度也就只有L那么长。因此，为了让器件的恒流做的更好，会考虑把MOS管的沟道长度L做长些，这样耗尽区变长带来的影响就会减小了。

此处插入一条公式：

IDS=1/2K'(VGS-VTH)²W/[L(1-λVDS)]

=1/2K'W/L(VGS-VTH)²(1+λVDS)

=1/2K'W/L(VGS-VTH)²(1+VDS/VA)，此处VA为著名的厄利电压，VA越大说明器件的恒流特性越好。

除了沟道调制效应，还有一个很出名的效应就是——衬底偏置效应，这个效应是说假设衬底和源极不是一个电位的，这个状态是很容易出现的，因为通常同一工艺中器件的衬底都是接一块的，比如一般NMOS管的衬底都接在地上，这时如果源极电位比衬底电位高的话，源极和衬底首先就反偏了，在沟道里先感应了点负电荷; 我们上面也说过，栅极和衬底构成了栅电容，下极板先感应了负电荷，那上极板需要感应相应的正电荷才行，因此衬底偏置效应会让阈值电压变高，也就是需要更大的VGS电压才能让MOS管开启。

最后我们来看看NMOS和PMOS的符号吧。

还有一种栅极画圈圈的我就不画了，圈圈代表低电平有效，栅极有圈圈的是PMOS，栅极没有圈圈的是NMOS。