MOS管及本征增益简介

文章来源：学习那些事

原文作者：赵先生

本文主要介绍MOS管及本征增益

MOS,是金属-氧化物-半导体场效应晶体管英文名称的缩写，是一种独特的半导体器件，它通过电场效应来控制输出回路的电流，这一特性使其得名。该器件主要依赖半导体中的多数载流子进行导电，因此也被归类为单极型晶体管。在场效应晶体管(FET)的广泛分类中，除了MOS管，还有诸如结型场效应晶体管(JFET)、金属-半导体场效应晶体管(MESFET)、无结场效应晶体管(JLFET)以及量子阱场效应晶体管(QWFET)等多种类型。在这些类型中，MOS管因其诸多优点，如高输入电阻、低功耗、低噪声以及易于集成等，成为了最为常用的选择，广泛应用于模拟威廉希尔官方网站 与数字威廉希尔官方网站 中，并在市场上占据了绝对的主导地位，远超双极型晶体管(BJT)。

MOS管进一步细分为NMOS(N沟道型)和PMOS(P沟道型)两种，它们都属于绝缘栅场效应管。当NMOS和PMOS被巧妙地组合在一起时，就构成了我们常说的CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。NMOS的结构设计精巧，包含了三个关键的电极：源极(Source, S)、栅极(Gate, G)和漏极(Drain, D)，如下图所示，这三个电极的功能可以分别与双极型晶体管的发射极、基极和集电极相对应。

NMOS结构示意图

如下图所示，在NMOS的工作过程中，如果栅极没有施加电压，那么源区和漏区之间就会因为缺乏导电沟道而无法形成电流。然而，当栅极被施加一个足够大的正电压时，这个电压就会像磁石一样吸引P型衬底中的少数载流子——电子，使它们聚集在栅极和衬底的交界处。随着电子的聚集，衬底表面就会形成一个布满电子的反型层，这个反型层实际上是将原来的P型区域反转成了N型区域，从而为电流提供了一个畅通的通道，使得源区的电子能够顺利地流向漏区，形成电流。这个过程展示了MOS管作为电压控制器件的本质，即通过栅电压来精确地调控源极和漏极之间的电流。这个反型层构建了一个高效的电子传输路径，使得源区的电子能够持续不断地流向漏区，进而形成电流。因此，MOS管实质上是一种电压控制器件，其核心在于通过栅电压来精确调控源极与漏极之间的电流大小。我们将开启场效应管所必需的最小栅极电压定义为阈值电压。栅极在此扮演了一个开关的角色：当栅极电压低于阈值电压或栅极电压被移除时，它处于关闭状态，阻止了源漏间电流的通过;而当栅极电压高于阈值电压时，它则打开通道，允许源漏间的电流自由流通。

NMOS的电学性能

接下来，我们概述一套典型的NMOS管制备工艺流程。首先，通过外延生长在硅衬底上形成一层外延层，这一步骤旨在获取低氧含量的硅单晶，它构成了MOS管中的半导体部分(S)然后利用氧化、光刻及刻蚀技术制备场氧化物，其作用是隔离不同的MOS管，防止它们之间的电气干扰。接下来通过氧化工艺生成栅氧化物层，这是MOS管中的氧化物部分(O)。下一步是沉积多晶硅材料，并通过光刻和刻蚀工艺形成多晶硅栅极，尽管多晶硅并非传统意义上的金属，但经过掺杂后其导电性能良好，且适合集成威廉希尔官方网站 工艺，因此取代了早期的金属铝材料。随后进入源区和漏区的制作阶段，先通过光刻工艺开窗，再进行磷离子的注入，并进行退火处理以巩固结构。紧接着沉积一层磷硅酸盐玻璃(PSG)作为介质层，通过沉积和回流工艺使其表面平整，为后续的光刻步骤打下良好基础。而后，对PSG进行光刻和刻蚀处理，以形成所需的图案。接着，沉积铝硅合金作为金属连线材料，并通过光刻和刻蚀工艺制备出金属连线。最后，沉积一层氮化硅作为钝化保护层，为整个器件提供额外的保护和稳定性。

MOS管的本征增益

在共源极放大器配置下，晶体管所能展现的最大低频小信号增益，被定义为MOS管的本征增益，本征增益可表示为

详细推导过程此处略去不述。根据该式，MOS管的本征增益与过驱动电压及沟长调制系数λ成反比关系。由于λ与MOS管的沟道长度L成反比，因此，本征增益会随着L的增大而提升。理论上，减小过驱动电压和增大L均可提升MOS管的本征增益。然而，这两个操作都会减缓MOS管的工作速度。因此，在实际威廉希尔官方网站 设计中，我们需要在增益与速度之间做出权衡。这种增益与速度的平衡考量，始终是模拟集成威廉希尔官方网站 设计领域的核心议题。值得注意的是，由下面的式子可知

MOS管的本征增益在设计跨导效率时，对过驱动电压的选择原则与本征增益相似，但本征增益还额外受到沟道长度的影响。随着MOS器件特征尺寸的持续缩减，其本征增益呈现下降趋势，这对我们的设计构成了日益严峻的挑战。

此外，我们还需警惕，过低的过驱动电压可能使MOS管进入亚阈值区域，该区域内MOS管的工作特性与饱和区大相径庭，很多相关公式和理论将不再适用。