今天，我在看Allen老师的《CMOS模拟集成电路设计》书的4.1节MOS开关。书中提到了，MOS管作为开关管使用时，会出现"沟道电荷注入"和"时钟馈通"现象。关于"沟道电荷注入"，书中是这样描述的，
开关导通时，沟道中有电荷，这些电荷在开关转为关断前必须流出。这种从沟道到开关端点的电荷流动称为沟道电荷注入。
看到这句话，我首先就出现了两个问题：
1.为什么开关关断前沟道的电荷就要流出？
2.为什么这些沟道电荷会注入到开关的端点？
第一个问题。对于NMOS管，开关导通的原因是源极和漏极之间在栅极电压的作用下产生一条与衬底掺杂类型相反的n沟道，将n型掺杂的源区和n型掺杂的漏区连在一起。n沟道的形成就需要从衬底中吸收很多的电子，让电子称为沟道区的多数载流子。那这些吸收过来的电子就是沟道电荷，因为它们原来不属于沟道这个区域。当开关是断开状态时，NMOS的源极和漏极掺杂区之间就必须是P型掺杂，这样从源极到漏极就是两个背靠背的二极管连接，一定是断路。所以断开的重点是沟道区必须是P型掺杂，多数载流子是空穴。所以之前吸收过来的沟道电荷，也就是电子，在MOS管断开的状态下，一定已经流出了沟道区。这就解释了为什么沟道电荷在开关转为关断前必须流出，因为关断成立的前提条件是多数载流子是空穴，也就是电子流出，沟道电荷流出。
第二个问题。为什么沟道电荷一定会流向开关端点也就是源区和漏区，而不是流向衬底或者别的地方呢？这个问题其实困扰我很长时间，后来才想明白。一开始我是这样想的：在开关关断前的瞬间，栅极沟道电容的上极板的电位是栅极电压 VGV_GVG（电源电压5V），下极板的电位是VSV_SVS（经过开关的信号为1V），所以栅极沟道电容两端的电压是VG−VSV_G−V_SVG−VS（5V-1V=4V）。当开关断开的瞬间，栅极电压从高电平VGV_GVG变为0V，沟道电容的上极板电位瞬间变为0。因为电容两端的电压不能突变，所以电容的下极板的电位变为VS−VGV_S-V_GVS−VG（-4V），从而维持栅极沟道电容两端的电位不变。此时相对于地，VS−VGV_S-V_GVS−VG一定小于零，沟道衬底构成的PN结强烈正偏，沟道电荷全部流向衬底。
但是如果上面的推理是正确的话，那么MOS开关只要用一次就会由于这个电容耦合产生的下冲电压被击穿了，所以上面的过程明显是有问题。但是哪里有问题呢？
这个工作过程的问题的关键就是关于电容两端电压不能突变的理解。**电容两端电压不能突变的成立条件是：电容的两个极板都没有低阻抗的通路连接到其他节点。**所以在这个问题中，因为沟道是N型掺杂，源区和漏区也是N型掺杂，所以沟道和源区和漏区的接触是欧姆接触，接触电阻大概在5~10Ω。而源极连接着电压源。所以这个电容的下极板有一个低阻抗通路。因为源极和漏极会外接电压源，或者电容。这两者其实都等效为电压源。也就是说电容的下极板通过导线接到了两个电压源上，电压源就会对这个下极板进行"钳位"。当然，由于存在接触电阻，这个过程肯定不是瞬间完成的，但是根据时间常数RC，这个时间大概会在20fs完成。
如果再深入地思考一下，那么钳位需要经历5倍的时间常数，大概100fs，才能实现。那不是还没钳位完成之前，因为电容耦合而产生的电压下冲那个瞬间就让衬底和沟道的PN结正向导通了。这不是还会导致沟道电荷全部流向衬底吗？
我们可以通过两个角度看到这个问题。第一个角度，100fs这个时间很短，光速1fs只走300nm。目前最快的半导体开关（如GaN HEMT）的栅极电压上升/下降时间也在几十皮秒（1ps=1000 fs）量级。**因此，在栅极电压变化的过程中（几十皮秒），沟道电位有足够多的时间（几千倍于RC常数）通过源/漏电阻"跟随"外部电压。因此，在工程意义上，钳位作用确实是"几乎瞬时"完成的。**第二个角度，其实我们将栅极沟道电容看成一个独立电容的模型是十分粗糙的，实际上栅极沟道电容是一个分布式电容，也就是无数个小RC网络的串联传输线，这样每个小电容分到的电荷就少了，两端的电压也会很小，不会出现能使衬底正向导通的耦合电压下冲。
那么既然衬底和沟道的PN结不会正向导通，那么沟道内的电荷就会流向源区和漏区了，也就是开关的端点。其实我们在讨论源区和漏区的"钳位"作用时，就已经描述了沟道电荷注入的过程。沟道电荷注入本质上就是源区和漏区对沟道的"钳位"作用。
最后，我们回到"沟道电荷注入"现象本身，既然沟道电荷注入就是对我们利好的钳位作用，为什么沟道电荷注入又是MOS管作为开关的非理想特性呢？
我们还是要回到钳位这个过程，前面我们假设源极和漏极接的是电压源，但是实际的应用中，开关的端点主要接的是电容，也就是模拟电路中常见的"开关电容电路"。电容存储电荷的时候确实可以看成一个电压源，但是当沟道内的电子注入到这个电容的时候，会中和电容的极板电荷，导致电容两端的电压降低。这就是问题的关键，我们需要的恰恰就是这个电容两端电压的值，沟道电荷注入导致了该值的波动，也引入了误差，这也就是"沟道电荷注入"被称为开关的非理想特性的原因。