MOS管的半导体结构和工作机制

MOS 管的半导体结构
作为半导体器件，它的来源还是最原始的材料，掺杂半导体形成的 P 和 N 型物质。

那么，在半导体工艺里，如何制造 MOS 管的？

这就是一个 NMOS 的结构简图，一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样，在一定的地基（衬底）上依据设计一步步“盖”起来。

MOS 管的符号描述为：

MOS 管的工作机制
以增强型 MOS 管为例，我们先简单来看下 MOS 管的工作原理。
由上图结构我们可以看到 MOS 管类似三极管，也是背靠背的两个PN结！三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制CE之间的导通，MOS 管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通DS之间。

如上图，在开启电压不足时，N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。给栅极提供正向电压后，P区的少子（电子）会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。这样DS之间就导通了。
下图是一个简单的MOS管开启模拟：

这是MOS管电流Id随Vgs变化曲线，开启电压为1.65V。下图是MOS管的IDS和VGS与VDS 之间的特性曲线图，类似三极管。

下面我们先从器件结构的角度看一下MOS管的开启全过程。
1、Vgs 对MOS 管的开启作用

一定范围内 Vgs》Vth，Vds《Vgs-Vth，Vgs 越大，反型层越宽，电流越大。这个区域为 MOS 管的线性区（可变电阻区）。即：
Vgs 为常数时，Vds 上升，Id 近似线性上升，表现为一种电阻特性。
Vds 为常数时，Vgs 上升，Id 近似线性上升，表现出一种压控电阻的特性。
即曲线左边

2、Vds对MOS管沟道的控制

当 Vgs》Vth，Vds《Vgs-Vth 时，分析同上曲线左侧，电流Id随Vds上升而上升，为可变电阻区。
当 Vds》Vgs-Vth 后，我们可以看到因为DS之间的电场开始导致右侧的沟道变窄，电阻变大。所以电流Id增加开始变缓慢。当Vds增大一定程度后，右沟道被完全夹断了！

此时DS之间的电压都分布在靠近D端的夹断耗尽区，夹断区的增大即沟道宽度W减小导致的电阻增大抵消了Vds对Id的正向作用，因此导致电流Id几乎不再随Vds增加而变化。此时的D端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到S端！

这个区域为 MOS 管的恒流区，也叫饱和区，放大区。
但是因为有沟道调制效应导致沟道长度 L 有变化，所以曲线稍微上翘一点。
重点备注：MOS 管与三极管的工作区定义差别
三极管的饱和区：输出电流 Ic 不随输入电流 Ib 变化。
MOS 管的饱和区：输出电流 Id 不随输出电压 Vds 变化。

3、 击穿
Vgs 过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。
Vds 过大会导致D和衬底之间的反向PN结雪崩击穿，大电流直接流入衬底。