在上篇MOS管的工作原理中,讲到MOS管可以看成一个电容结构,当对该电容结构添加如下图所示外置电压时,在导体板上会出现正电荷,而P型硅上则会感应出负电荷。

 


但实际上,在通道形成之前还会有一种现象出现。

 

当VG从0开始变大时,栅极上正电荷变多,而这些正电荷会排斥P型硅内更多的正电荷,即空穴。当空穴往下移动时,在P型硅的上方,即P型硅与绝缘层的接触面附近会留下负离子。向下移动的空穴越多,留下的负离子越多,耗尽区越宽。因为这些负离子不能移动的,所以我们称充满负离子的这些区域为耗尽区。此时,在漏极和源极之间是没有电流流过,所以我们说MOSFET处于关闭状态。

 

 

当VG继续增大至Vth时,P型硅与绝缘层的接触面附近会产生自由电子。也就是说,此时在P型硅内存在两种负电荷,一种是自由电子,另一种为不自由的负离子。而这些自由电子,被称为channel,即通道。因为这些电子可以移动,而电子的移动即为电流,即这些自由电子可以传导电流。此时,MOSFET处于打开状态。

 

VG越大,通道中的自由电子的密度越高,源极和漏极之间的电阻越小。也就是这个电阻的大小受VG控制,即我们可以得到一个可变电阻。神奇不?可变电阻就可以用来做可调衰减器了。

 

MOSFET有三个尺寸,会影响其I/V特性曲线。这三个尺寸分别是氧化物的厚度tox、通道的长度L以及晶体管的宽度W。这边的I/V特性曲线可以从两方面看:(1) VG=常数,ID随着VD变化的曲线;(2) VD=常数,ID随着VG变化的曲线。

 

 


氧化物的厚度tox是怎么样影响I/V特性曲线的呢?Q=CV,tox减小,则C增大,所以Q增大,即自由电子的密度增大,对应源极和漏极之间的电阻变小,所以在给定电压下,电流变大。

 

 

 

通道的长度L是怎么样影响I/V特性曲线的呢?L增加,对应源极和漏极之间的电阻增大,所以在给定电压下,电流减小。

 


晶体管的宽度W是怎样影响I/V特性曲线的呢?晶体管的宽度W变大时,通道的宽度也会增大,则对应源极和漏极之间的电阻减小,所以在同样的电压下,电流减小。

 


tox,W和L都能影响MOSFET的性能。其中,氧化物的厚度tox是工艺决定的, 一旦工艺确定,对于所有的晶体管都是一样的。而晶体管的宽度W以及通道的长度L是芯片设计人员可以修改的。