CMOS模拟电路日记（1）

常规电路术语

1、 MOS和BJT的区别：
金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和双极晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）是两种不同类型的半导体器件，它们在结构、工作原理和应用方面存在明显的区别。
以下是MOSFET和BJT之间的主要区别：
结构：
MOSFET： MOSFET是一种场效应晶体管，主要由金属栅极、绝缘层和半导体材料构成。栅极电场控制通道中的电荷，从而控制电流流动。
BJT： BJT是一种双极晶体管，主要由两种不同类型的半导体材料（P型和N型）构成，包括发射极、基极和集电极。
工作原理：
MOSFET： MOSFET的工作原理基于栅极电场效应，通过改变栅极电压来控制电子或空穴的通道中的电流。MOSFET通常用于开关和放大电子信号。
BJT： BJT的工作原理基于电子和空穴注入、扩散和漂移，通过控制基极电流来调控发射极和集电极之间的电流。BJT通常用于放大和开关信号，既可以控制电子流，也可以控制空穴流。
控制：
MOSFET： MOSFET通过栅极电压来控制通道中的电流，具有非常高的输入电阻，通常用于低功耗应用。
BJT： BJT通过基极电流来控制发射极和集电极之间的电流，具有相对较低的输入电阻。
电流极性：
MOSFET： MOSFET可以控制电子或空穴的电流，取决于器件类型（N型或P型）。
BJT： BJT通常只能控制一种电荷极性，即电子流或空穴流。
应用：
MOSFET： MOSFET常用于数字电路、功率放大器、开关电路和模拟电路中，特别在集成电路中应用广泛。
BJT： BJT常用于放大器、振荡器、开关电路和高频放大器中，特别在射频和模拟电路中应用广泛。

2、双栅极是什么？
双栅极（Double-Gate）：传统的晶体管通常有单个栅极，而双栅极晶体管有两个栅极，一个位于上方，一个位于下方。这种结构允许更好地控制电子流，因为它提供了更多的控制点。
上栅极控制：上方栅极可以用来控制电子流，类似于传统的场效应晶体管（FET）。当上栅极施加电压时，它会改变重叠区域的电子通道的导电性，从而控制电流的通断。
下栅极控制：下方栅极则控制电子和空穴之间的注入和传输。这是双极晶体管的特点，因为电子和空穴有不同的电荷性质，下栅极可以调控它们的流动。

3、异质结是什么？
异质结（Heterojunction）：异质结是两个半导体材料之间的界面，它们的能带结构和电子特性不同。在异质结晶体管中，通常会使用不同的半导体材料来构建不同部分，以实现更好的电子传输性能。

4、电场屏蔽（electric=field screening）是什么？
电场屏蔽：当一个带电粒子被放置在一个带电环境中时，周围的电场会对该粒子施加力。然而，如果存在其他电荷粒子在周围，它们会改变周围的电场分布，从而减弱或屏蔽掉原始电场的一部分。
超position原理：电场满足叠加原理，即总电场是所有电荷粒子产生的电场的矢量和。这意味着当多个电荷粒子同时存在时，它们的电场会相互叠加。因此，一个粒子受到的总电场是其自身产生的电场与周围其他电荷粒子产生的电场之和。
电场屏蔽效应：当周围存在其他电荷粒子时，它们会改变电场的分布。负电荷会抑制周围正电荷的电场，而正电荷会抑制周围负电荷的电场。这种相互作用导致在局部区域内，电场的强度降低，或者说被屏蔽掉，因此，一个粒子受到的电场可能比在没有其他电荷的情况下要弱。

5、反型层是什么？
在金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中，当施加正的栅极电压（Vgs）时，可以在半导体表面下感应出一个电荷分布，这个电荷分布区域通常被称为反型层（Inversion Layer）。反型层是一种高电子浓度区域，其中电子被吸引到栅极下面，形成一个导电通道，从而允许电流从源极流向漏极。
在N型MOSFET中，当施加正的栅极电压（Vgs > 阈值电压），电子将被吸引到栅极下方，形成一个反型层，这使得栅极和源极之间形成了一个电子通道，电流可以流经该通道。在P型MOSFET中，相反的过程会发生，其中电子被空穴替代，形成反型层，从而允许电流流动。
这种反型层的形成和控制是MOSFET的关键工作原理。通过改变栅极电压，可以调控反型层的电子或空穴浓度，从而控制通道的导电性，实现对MOSFET的开关和放大操作。这使得MOSFET成为数字集成电路和模拟电路中的重要元件，用于控制电子设备的性能。

6、沟道是什么？
在金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和其他场效应晶体管中，"沟道" 是指半导体材料中的一段区域，其中电子或空穴可以自由移动，形成电流传输的通道。沟道是一个具有较高电子或空穴浓度的区域，可以连接MOSFET的源极和漏极，允许电流从源极流向漏极。当适当的电场或电压施加到栅极上时，沟道会形成，而在没有足够电场或电压的情况下，沟道将关闭，从而控制MOSFET的导电性。
MOSFET中的沟道是通过施加栅极电场来形成的。具体来说，当栅极电极施加正电压时，栅极下方的半导体材料中的电子或空穴会被吸引到该区域，形成一个电子或空穴浓度高的区域，即沟道。这个沟道可以传导电流，因此可以实现源极到漏极的电流流动。当栅极电极施加适当的电压以关闭栅极下的电场时，沟道会关闭，停止电流流动。

7、在金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）中，当向漏极施加正电压时，这会影响通道区域的电子分布，导致通道可能消失。为什么会发生这种情况？
MOSFET的工作原理： MOSFET是一种场效应晶体管，其工作原理是通过调控栅极电压来控制通道中的电子流。通道是位于半导体材料中的电子传输区域，当栅极电压施加在适当的方向时，通道中会形成高电子浓度区域，从而形成一个导电通道。
源漏电流：当施加正电压到漏极时，栅极电场的作用会减弱通道中的电子浓度。这是因为电子被漏极端吸引，减少了通道中的电子浓度。
截止状态：如果漏极电压足够大，通道中的电子浓度可能会降低到某个阈值以下，导致通道关闭，即沟道消失。这种状态称为MOSFET的截止状态。
通道重新开启：要重新打开通道，需要逆转漏极电压，即将漏极电压设为零或负电压。通过逆转电场，通道中的电子浓度可以重新增加，恢复通道的导电性。
通道在MOSFET中是电子传输的路径，用于连接源极和漏极，根据栅极电压的不同，通道的导电性可以控制。在工作状态下，通道是打开的，电子从源极流向漏极。但当漏极电压过高，通道中的电子浓度减小时，通道可能会关闭，导致截止状态。因此，对MOSFET的操作和控制取决于栅极、源极和漏极之间的电压关系。
沟道是指MOSFET中源区和漏区之间的一个薄半导体层，是由于外加电场引起的沿长度方向的导电层。

下图中，#1为N基底，通常是晶圆基底。#2为P阱，指的是形成n沟道MOSEFT的区域。#3为n沟道MOSFET源极的扩散区。#4为n沟道MOSFET漏极的扩散区。#5为p沟道MOSFET漏极的扩散区。#6为p沟道MOSFET源极的扩散区。#7为p阱偏压扩散区。#8为n基底偏压扩散区。

MOS结构与工作原理

结构分析

参考模拟电路学习

在一个P型基底上生成两块N型半导体，再加上两个金属电极形成源极和漏极。

给源极和漏极加上电，不能导通，因为两者之间相当于两个背靠背的二极管。此时MOS管始终截止。

在P型半导体上加一个很薄的二氧化硅绝缘层（下图中红色薄片），又在绝缘层上制作了金属极板（下图中黑色薄片），形成栅极。
在栅极上也加上正向电压，栅极与P型半导体形成一个电容，并形成一个电场，电场方向从栅极指向P型半导体，在电场的作用下，P型半导体一侧空穴受到排斥，电子得到吸引，该区域自由电子数量开始增加，但MOS管仍不导通。
栅极电压继续增大，自由电子进一步增加，当栅极电压达到一个阈值电压VTH后，此时P型半导体转变为N型半导体（反型层），连通漏极和源极，即形成了N沟道（即供电子通过的沟道）。此时MOS管导通。

该结构中导电沟道是N型的，所以是N沟道。

原理分析

1、VDS不变，VGS改变
VGS主要影响导电沟道的宽度。
当VGS < VTH时，导电沟道未形成，MOS管处于截止区，这种情况称为MOS管被夹断；
当VGS = VTH时，导电沟道开始形成；
当VGS > VTH时，随着VGS的增大，沟道宽度也加大，阻力也变小，能通过的电流也变大。这也就是为什么驱动大功率设备，VGS不能太小的原因，太小内阻太大，导致MOS管发热严重。即，MOS管的内阻可以通过VGS来调节。

2、VGS固定，VDS改变
前提:VGS大到可以形成沟道。
VDS将引起漏极电流的变化。
当VDS较小时，随着电压增大，电流iD线性增大，此时MOS管满足欧姆定律。与这一过程同时发生的是随着VDS的增加，沟道两端的电势差开始不等。

VGD > VTH阶段：在VDS=0V时，沟道两端的电势相等（VGS = VGD），两端沟道宽度相等。当VDS增加时，VGS 保持不变，VGD=VGS - VDS逐渐减小，这导致沟道变窄（栅极与衬底电势差越小，沟道越窄），这限制了电子的流动，虽然被限制，但电流大小一直在增加，只是增加速率减小了。
VGD = VTH阶段：VDS继续增加，沟道越来越窄，直到进入临界状态，沟道靠漏极一端趋于夹断，但由于电流的连续性，沟道无法真正夹断（称为预夹断），留有极窄的通道，电子在里面高速通过，此时漏极电流几乎达到最大值，此时的电流称为饱和电流（此时MOS成了一个恒流源），发生该电流的电压称为饱和电压（每一个VGS对应一个饱和电流和饱和电压）。
包括前两个阶段在内的MOS管都处于可变电阻区。在该区MOS管相当就是一个由VGS控制的可变电阻。
VGD < VTH阶段：VDS进一步增大，电流基本不会改变，MOS管进入饱和区。说是不改变，但还是会有所增加。这称为沟道长度调制效应。

问题解释

1、进入饱和区，若想加大电流该怎么做？
答：增加栅极电压，以扩大沟道宽度，此时到沟道再次被夹断所通过的电流也会增大。

2、MOS管的特性
答：（1）MOS管的栅极输入阻抗非常高
因为SiO2绝缘层的存在，MOS管输入阻抗达上亿欧姆，导致栅极电流几乎被完全阻断，栅极功耗几乎为0。
（2）MOS管的栅极容易被静电击穿（MOS管是一个ESD敏感器件）
因为栅极输入阻抗很大，栅极上的感应电荷很难释放，它产生的高压很容易就把很薄的绝缘层给击穿。

为什么会产生高压？
U=Q/C
MOS管的极间电容很小，一点点电荷积累就会产生高压！因此用手指触摸栅极就可以使MOS管导通。

怎么解决？
在实验中栅极悬空很危险，很多时候就因为这样爆管，栅极接个下拉电阻对地，旁路搅扰信号就不会直通了，一般选10~20K（为什么？经验值，太大泄放速度慢，太小功耗增加）。这个电阻称为栅极电阻（可泄放栅极积累的电荷）。但这么做的代价就是控制极产生了能耗，原本几乎是0耗能的。
（3）导通电阻低，可以做到几个毫欧的电阻，极低的传导损耗
（4）开关速度快，开关损耗低，理论上可以达到几十MHz或以上，特别适应PWM输出模式。相比之下，三极管的开关速度一般只有几百KHz。

为什么MOS管开关速度这么快？
因为MOS管的极间电容很小，充放电时间很短。

3、为什么叫MOS管？
下面是MOS管的全称，可以看出MOS管的名称是根据结构与材质来的，它体现的是MOS管的“三明治”结构。