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NMOS管的导通与关断原理
资料介绍
一、NMOS管的基本结构
NMOS管全称N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，是金属氧化物半导体（MOS）结构的核心器件之一，其核心结构分为四个部分：源极（Source）、漏极（Drain）、栅极（Gate）、衬底（Body/Substrate）。
从材料掺杂来看，NMOS的衬底通常是P型半导体，内部多数载流子是带正电的空穴；源极和漏极则是高掺杂的N型半导体，内部多数载流子是带负电的自由电子，源极和漏极分别引出电极用于外接电路。栅极与源漏、衬底之间隔着一层二氧化硅（SiO₂）绝缘层，这层绝缘层厚度通常只有几纳米到几十纳米，使得栅极几乎没有直流电流流过，这也是MOS管属于电压控制器件的核心原因。
正常工艺下，源极会和衬底在芯片内部短接，因此通常分析电路特性时，我们默认源极电位等于衬底电位，记为
。在源漏之间，衬底和N型源漏区会形成两个背靠背的PN结：源极-衬底PN结、漏极-衬底PN结，当源漏都处于零偏时，两个PN结都处于反偏状态，源漏之间没有导电通道。
二、核心原理基础：反型层的形成
NMOS管导电的核心是N型反型层，也就是源漏之间的可移动电子导电沟道，反型层的形成与否直接决定了NMOS管的导通与关断，我们可以从栅极电压变化对衬底表面载流子分布的影响来分析：
当栅极电压为0，也就是栅极和源极之间的电压时，栅极不带电，P型衬底表面的多数载流子还是空穴，此时源极和漏极是两个N区，中间隔着P型衬底，两个背靠背的反偏PN结阻断了电子通路，源漏之间的电阻非常大，通常可以达到兆欧级别以上，此时器件处于关断状态。
当我们给栅极加上相对于源极的正电压，也就是时，带正电的栅极会通过电场吸引衬底中的带负电的载流子：一方面排斥衬底表面的带正电的空穴，把空穴推到衬底深处，在衬底表面留下带负电的电离受主杂质，形成耗尽层；另一方面，会把衬底内部和源极中的自由电子吸引到衬底表面。
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