在上篇MOS管的工作原理中,講到MOS管可以看成一個電容結構,當對該電容結構添加如下圖所示外置電壓時,在導體板上會出現正電荷,而P型硅上則會感應出負電荷。
但實際上,在通道形成之前還會有一種現象出現。
當VG從0開始變大時,柵極上正電荷變多,而這些正電荷會排斥P型硅內更多的正電荷,即空穴。當空穴往下移動時,在P型硅的上方,即P型硅與絕緣層的接觸面附近會留下負離子。向下移動的空穴越多,留下的負離子越多,耗盡區(qū)越寬。因為這些負離子不能移動的,所以我們稱充滿負離子的這些區(qū)域為耗盡區(qū)。此時,在漏極和源極之間是沒有電流流過,所以我們說MOSFET處于關閉狀態(tài)。
當VG繼續(xù)增大至Vth時,P型硅與絕緣層的接觸面附近會產生自由電子。也就是說,此時在P型硅內存在兩種負電荷,一種是自由電子,另一種為不自由的負離子。而這些自由電子,被稱為channel,即通道。因為這些電子可以移動,而電子的移動即為電流,即這些自由電子可以傳導電流。此時,MOSFET處于打開狀態(tài)。
VG越大,通道中的自由電子的密度越高,源極和漏極之間的電阻越小。也就是這個電阻的大小受VG控制,即我們可以得到一個可變電阻。神奇不?可變電阻就可以用來做可調衰減器了。
MOSFET有三個尺寸,會影響其I/V特性曲線。這三個尺寸分別是氧化物的厚度tox、通道的長度L以及晶體管的寬度W。這邊的I/V特性曲線可以從兩方面看:(1) VG=常數,ID隨著VD變化的曲線;(2) VD=常數,ID隨著VG變化的曲線。
氧化物的厚度tox是怎么樣影響I/V特性曲線的呢?Q=CV,tox減小,則C增大,所以Q增大,即自由電子的密度增大,對應源極和漏極之間的電阻變小,所以在給定電壓下,電流變大。
通道的長度L是怎么樣影響I/V特性曲線的呢?L增加,對應源極和漏極之間的電阻增大,所以在給定電壓下,電流減小。
晶體管的寬度W是怎樣影響I/V特性曲線的呢?晶體管的寬度W變大時,通道的寬度也會增大,則對應源極和漏極之間的電阻減小,所以在同樣的電壓下,電流減小。
tox,W和L都能影響MOSFET的性能。其中,氧化物的厚度tox是工藝決定的, 一旦工藝確定,對于所有的晶體管都是一樣的。而晶體管的寬度W以及通道的長度L是芯片設計人員可以修改的。