文章來源：學習那些事

原文作者：趙先生

本文主要介紹MOS管及本征增益

MOS,是金屬-氧化物-半導體場效應晶體管英文名稱的縮寫，是一種獨特的半導體器件，它通過電場效應來控制輸出回路的電流，這一特性使其得名。該器件主要依賴半導體中的多數載流子進行導電，因此也被歸類為單極型晶體管。在場效應晶體管(FET)的廣泛分類中，除了MOS管，還有諸如結型場效應晶體管(JFET)、金屬-半導體場效應晶體管(MESFET)、無結場效應晶體管(JLFET)以及量子阱場效應晶體管(QWFET)等多種類型。在這些類型中，MOS管因其諸多優點，如高輸入電阻、低功耗、低噪聲以及易于集成等，成為了最為常用的選擇，廣泛應用于模擬電路與數字電路中，并在市場上占據了絕對的主導地位，遠超雙極型晶體管(BJT)。

MOS管進一步細分為NMOS(N溝道型)和PMOS(P溝道型)兩種，它們都屬于絕緣柵場效應管。當NMOS和PMOS被巧妙地組合在一起時，就構成了我們常說的CMOS(互補金屬氧化物半導體)器件。NMOS的結構設計精巧，包含了三個關鍵的電極：源極(Source, S)、柵極(Gate, G)和漏極(Drain, D)，如下圖所示，這三個電極的功能可以分別與雙極型晶體管的發射極、基極和集電極相對應。

NMOS結構示意圖

如下圖所示，在NMOS的工作過程中，如果柵極沒有施加電壓，那么源區和漏區之間就會因為缺乏導電溝道而無法形成電流。然而，當柵極被施加一個足夠大的正電壓時，這個電壓就會像磁石一樣吸引P型襯底中的少數載流子——電子，使它們聚集在柵極和襯底的交界處。隨著電子的聚集，襯底表面就會形成一個布滿電子的反型層，這個反型層實際上是將原來的P型區域反轉成了N型區域，從而為電流提供了一個暢通的通道，使得源區的電子能夠順利地流向漏區，形成電流。這個過程展示了MOS管作為電壓控制器件的本質，即通過柵電壓來精確地調控源極和漏極之間的電流。這個反型層構建了一個高效的電子傳輸路徑，使得源區的電子能夠持續不斷地流向漏區，進而形成電流。因此，MOS管實質上是一種電壓控制器件，其核心在于通過柵電壓來精確調控源極與漏極之間的電流大小。我們將開啟場效應管所必需的最小柵極電壓定義為閾值電壓。柵極在此扮演了一個開關的角色：當柵極電壓低于閾值電壓或柵極電壓被移除時，它處于關閉狀態，阻止了源漏間電流的通過;而當柵極電壓高于閾值電壓時，它則打開通道，允許源漏間的電流自由流通。

NMOS的電學性能

接下來，我們概述一套典型的NMOS管制備工藝流程。首先，通過外延生長在硅襯底上形成一層外延層，這一步驟旨在獲取低氧含量的硅單晶，它構成了MOS管中的半導體部分(S)然后利用氧化、光刻及刻蝕技術制備場氧化物，其作用是隔離不同的MOS管，防止它們之間的電氣干擾。接下來通過氧化工藝生成柵氧化物層，這是MOS管中的氧化物部分(O)。下一步是沉積多晶硅材料，并通過光刻和刻蝕工藝形成多晶硅柵極，盡管多晶硅并非傳統意義上的金屬，但經過摻雜后其導電性能良好，且適合集成電路工藝，因此取代了早期的金屬鋁材料。隨后進入源區和漏區的制作階段，先通過光刻工藝開窗，再進行磷離子的注入，并進行退火處理以鞏固結構。緊接著沉積一層磷硅酸鹽玻璃(PSG)作為介質層，通過沉積和回流工藝使其表面平整，為后續的光刻步驟打下良好基礎。而后，對PSG進行光刻和刻蝕處理，以形成所需的圖案。接著，沉積鋁硅合金作為金屬連線材料，并通過光刻和刻蝕工藝制備出金屬連線。最后，沉積一層氮化硅作為鈍化保護層，為整個器件提供額外的保護和穩定性。

MOS管的本征增益

在共源極放大器配置下，晶體管所能展現的最大低頻小信號增益，被定義為MOS管的本征增益，本征增益可表示為

詳細推導過程此處略去不述。根據該式，MOS管的本征增益與過驅動電壓及溝長調制系數λ成反比關系。由于λ與MOS管的溝道長度L成反比，因此，本征增益會隨著L的增大而提升。理論上，減小過驅動電壓和增大L均可提升MOS管的本征增益。然而，這兩個操作都會減緩MOS管的工作速度。因此，在實際電路設計中，我們需要在增益與速度之間做出權衡。這種增益與速度的平衡考量，始終是模擬集成電路設計領域的核心議題。值得注意的是，由下面的式子可知

MOS管的本征增益在設計跨導效率時，對過驅動電壓的選擇原則與本征增益相似，但本征增益還額外受到溝道長度的影響。隨著MOS器件特征尺寸的持續縮減，其本征增益呈現下降趨勢，這對我們的設計構成了日益嚴峻的挑戰。

此外，我們還需警惕，過低的過驅動電壓可能使MOS管進入亞閾值區域，該區域內MOS管的工作特性與飽和區大相徑庭，很多相關公式和理論將不再適用。