（南京观海微电子）——MOS管原理及应用区别

MOS管：

全称为金属氧化物半导体场效应管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），也被称为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）。它是一种半导体器件，常用于电子电路中的开关、放大、稳压等功能。

一、MOS管特点

1、高输入阻抗：MOS管的输入电阻非常高，因此可以减小输入信号源的功耗。

2、低输出阻抗：MOS管的输出电阻非常低，可以提供较大的输出电流。

3、低功耗：MOS管的静态功耗非常低，几乎不需要电流输入。

4、高速度：MOS管的开关速度非常快，可以实现高频率的开关操作。

5、可控性强：MOS管的导通和截止可以通过控制栅极电压来实现，具有很好的可控性。

二、MOS管的结构图与工作原理

其结构示意图：

mos管的结构图

MOS管主要由源极（Source）、漏极（Drain）、栅极（Gate）和绝缘层（Oxide）组成。当栅极电压为零时，绝缘层会阻止漏极和源极之间的电流流动。当栅极电压加正偏时，形成了栅源电压，绝缘层下的沟道区域会形成N型或P型导电层，允许电流流过。栅极电压越高，导电层越宽，电流越大。通过调节栅极电压，可以控制MOS管的导通和截止

电极 D（Drain）称为漏极，相当双极型三极管的集电极；

电极G（Gate）称为栅极，相当于的基极；

电极S（Source）称为源极，相当于发射极。

三、MOS管分类

1、N沟道MOS管（NMOS）：沟道区域为N型半导体，栅极电压为正时导通。

2、P沟道MOS管（PMOS）：沟道区域为P型半导体，栅极电压为负时导通。

3、增强型MOS管（Enhancement MOSFET）：栅极电压为正时导通，栅极电压为零时截止。

4、耗尽型MOS管（Depletion MOSFET）：栅极电压为负时导通，栅极电压为零时截止。

5、压控型MOS管（VDMOS）：用于功率放大器，具有较低的导通电阻。

mos管的结构图-N沟道增强型MOS场效应管结构

mos管的结构图，N沟道增强型MOS场效应管结构如下文。在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图(c)所示。

mos管的结构图

mos管的结构图-N沟道增强型MOS场效应管的工作原理

mos管的结构图，N沟道增强型MOS场效应管的工作原理。

（1）vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电压vGS=0时，即使加上漏——源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏——源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。

排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。

（2）导电沟道的形成：

当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏——源极之间仍无导电沟道出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏——源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图1(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。

开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压，用VT表示。

上面讨论的N沟道MOS管在vGS＜VT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时，才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后，在漏——源极间加上正向电压vDS，就有漏极电流产生。

VDS对ID的影响

mos管的结构图

如图(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。

漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等，靠近源极一端的电压最大，这里沟道最厚，而漏极一端电压最小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道最薄。但当vDS较小（vDS）。

随着vDS的增大，靠近漏极的沟道越来越薄，当vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图2(b)所示。再继续增大vDS，夹断点将向源极方向移动，如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区，故iD几乎不随vDS增大而增加，管子进入饱和区，iD几乎仅由vGS决定。

mos管的结构图-N沟道耗尽型MOS场效应管的基本结构

mos管的结构图（N沟道耗尽型基本结构）

mos管的结构图

（1）结构：

N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。

（2）区别：

耗尽型MOS管在vGS=0时，漏——源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。

（3）原因：

制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，如图1(a)所示，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。

如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅－源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。