一文詳解MOS管的工作原理

一、什么是mos管?

mos管是一種具有絕緣柵的FET，其中電壓決定了器件的電導(dǎo)率。發(fā)明mos管是為了克服 FET 中存在的缺點(diǎn)，如高漏極電阻、中等輸入阻抗和較慢的操作。所以mos管可以稱為FET的高級(jí)形式。

mos管常用于切換或放大信號(hào)。隨著施加的電壓量改變電導(dǎo)率的能力可用于放大或切換電子信號(hào)。

mos管是迄今為止數(shù)字電路中最常見的晶體管，因?yàn)閮?nèi)存芯片或微處理器中可能包含數(shù)十萬(wàn)或數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管。由于它們可以由 p 型或 n 型半導(dǎo)體制成，互補(bǔ)的 MOS 晶體管對(duì)可用于以CMOS邏輯的形式制造具有非常低功耗的開關(guān)電路。

在數(shù)字和模擬電路中，mos管現(xiàn)在甚至比BJT更常見，下圖為mos管的實(shí)物圖。

二、mos管的電路符號(hào)

mos管是一個(gè)四端器件，具有源極 (S)、漏極 (D) 和柵極端子 (G) 和體 (B) 端子。主體經(jīng)常連接到源端子，將端子減少到三個(gè)。它通過改變電荷載流子(電子或空穴)流動(dòng)的通道寬度來工作。

mos管根據(jù)操作類型分為兩種類型：增強(qiáng)型mos管和耗盡型mos管。

1、增強(qiáng)型mos管(E-mos管)

當(dāng)柵極端子上沒有電壓時(shí)，通道顯示最大電導(dǎo)。當(dāng)柵極端子兩端的電壓為正或負(fù)時(shí)，溝道電導(dǎo)率降低。

2、耗盡型mos管(D-mos管)

當(dāng)柵極端子上沒有電壓時(shí)，器件不導(dǎo)通。當(dāng)柵極端子上有最大電壓時(shí)，器件顯示出增強(qiáng)的導(dǎo)電性。

3、增強(qiáng)型和耗盡型mos管之間的主要區(qū)別

增強(qiáng)型和耗盡型mos管之間的主要區(qū)別在于施加到 E-mos管的柵極電壓應(yīng)始終為正，并且它具有閾值電壓，高于該閾值電壓它會(huì)完全導(dǎo)通。

對(duì)于 D-mos管，柵極電壓可以是正的也可以是負(fù)的，它永遠(yuǎn)不會(huì)完全導(dǎo)通。另外，D-mos管可以在增強(qiáng)和耗盡模式下工作，而 E-mos管只能在增強(qiáng)模式下工作。

mos管根據(jù)用于構(gòu)造的材料進(jìn)一步分類為n溝道和p通道。所以，一般來說，有 4 種不同類型的mos管。

N 溝道耗盡型mos管

P 溝道耗盡型mos管

N 溝道增強(qiáng)型mos管

P 溝道增強(qiáng)型mos管

1、N 溝道m(xù)os管

N 溝道m(xù)os管稱為NMOS，用以下符號(hào)表示。

N 溝道m(xù)os管符號(hào)圖

根據(jù)mos管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在耗盡型 mos管中，柵極 (G)、漏極 (D) 和源極 (S) 引腳是物理連接的，而在增強(qiáng)模式下它們是物理分離的，這就是為什么增強(qiáng)模式mos管的符號(hào)出現(xiàn)損壞。

2、P 溝道m(xù)os管

P 溝道m(xù)os管稱為PMOS，用以下符號(hào)表示。

P 溝道m(xù)os管電路符號(hào)圖

在可用類型中，N 溝道增強(qiáng)型mos管是最常用的mos管。

3、N 溝道m(xù)os管和 P通道m(xù)os管之間的主要區(qū)別

N 溝道m(xù)os管和 P溝道m(xù)os管之間的主要區(qū)別在于，在 N 溝道中，mos管開關(guān)將保持打開狀態(tài)，直到提供柵極電壓。當(dāng)柵極引腳接收到電壓時(shí)，開關(guān)(漏極和源極之間)將關(guān)閉，在 P 溝道 mos管中，開關(guān)將保持關(guān)閉，直到提供柵極電壓。

三、mos管的工作原理

mos管的工作取決于MOS電容，它是源極和漏極之間的氧化層下方的半導(dǎo)體表面。只需分別施加正柵極電壓或負(fù)柵極電壓，即可將其從 p 型反轉(zhuǎn)為 n 型。

mos管的主要原理是能夠控制源極和漏極之間的電壓和電流。它的工作原理幾乎就像一個(gè)開關(guān)，設(shè)備的功能基于 MOS 電容。MOS電容是MOS管的的主要部分。

mos管的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)漏源電壓(VDS)連接在漏極和源極之間時(shí)，正電壓施加到漏極，負(fù)電壓施加到源極。在這里，漏極的 PN 結(jié)是反向偏置的，而源極的 PN 結(jié)是正向偏置的。在這個(gè)階段，漏極和源極之間不會(huì)有任何電流流動(dòng)。

如果我們將正電壓 (VGG ) 施加到柵極端子，由于靜電引力，P襯底中的少數(shù)電荷載流子(電子)將開始積聚在柵極觸點(diǎn)上，從而在兩個(gè) n+ 區(qū)域之間形成導(dǎo)電橋。

在柵極接觸處積累的自由電子的數(shù)量取決于施加的正電壓的強(qiáng)度。施加的電壓越高，由于電子積累而形成的 n 溝道寬度越大，這最終會(huì)增加電導(dǎo)率，并且漏極電流 (ID ) 將開始在源極和漏極之間流動(dòng)。

當(dāng)沒有電壓施加到柵極端子時(shí)，除了由于少數(shù)電荷載流子而產(chǎn)生的少量電流外，不會(huì)有任何電流流動(dòng)。mos管開始導(dǎo)通的最小電壓稱為閾值電壓。

1、N溝道m(xù)os管的構(gòu)造

以N 溝道 mos管為例子來了解mos管工作原理。取一個(gè)輕摻雜的P型襯底，其中擴(kuò)散了兩個(gè)重?fù)诫s的N型區(qū)域，作為源極和漏極。在這兩個(gè) N+ 區(qū)域之間，發(fā)生擴(kuò)散以形成 N 溝道，連接漏極和源極。

N溝道m(xù)os管的構(gòu)造圖

在整個(gè)表面上生長(zhǎng)一層薄薄的二氧化硅 (SiO2 )，并制作孔以繪制用于漏極和源極端子的歐姆接觸。鋁的導(dǎo)電層覆蓋在整個(gè)通道上，在這個(gè)SiO2層上，從源極到漏極，構(gòu)成柵極。SiO 2襯底連接到公共或接地端子。

由于其結(jié)構(gòu)，mos管的芯片面積比 BJT 小得多，與雙極結(jié)型晶體管相比，其占用率僅為 5%。

2、N溝道m(xù)os管(耗盡型)的工作原理

首先，我們認(rèn)為在柵極和溝道之間不存在 PN 結(jié)。我們可以觀察到，擴(kuò)散溝道N(兩個(gè)N+區(qū)域之間)、絕緣介質(zhì)SiO 2和柵極的鋁金屬層共同形成了一個(gè)平行板電容器。

如果 Nmos管必須工作在耗盡模式，則柵極端應(yīng)為負(fù)電位，漏極為正電位，如下圖所示。

mos管在耗盡模式下的工作原理圖

當(dāng)柵極和源極之間沒有施加電壓時(shí)，由于漏極和源極之間的電壓，一些電流會(huì)流動(dòng)。讓一些負(fù)電壓施加在VGG上。然后少數(shù)載流子即空穴被吸引并在SiO2層附近沉降。但是多數(shù)載流子，即電子被排斥。

在VGG處具有一定量的負(fù)電位時(shí)，一定量的漏極電流ID流過源極到漏極。當(dāng)這個(gè)負(fù)電位進(jìn)一步增加時(shí)，電子被耗盡，電流ID減小。因此，施加的VGG越負(fù)，漏極電流ID的值就越小。

靠近漏極的通道比源極(如 FET)消耗得更多，并且由于這種效應(yīng)，電流會(huì)減少。

3、N溝道m(xù)os管的工作原理(增強(qiáng)型)

如果我們可以改變電壓VGG的極性，相同的mos管可以在增強(qiáng)模式下工作。因此，我們考慮柵極源極電壓V GG為正的mos管，如下圖所示。

mos管在增強(qiáng)模式下工作原理圖

當(dāng)柵極和源極之間沒有施加電壓時(shí)，由于漏極和源極之間的電壓，一些電流會(huì)流動(dòng)。讓一些正電壓施加在VGG上。然后少數(shù)載流子即空穴被排斥而多數(shù)載流子即電子被吸引向SiO 2層。

在VGG處具有一定量的正電位時(shí)，一定量的漏極電流ID流過源極到漏極。當(dāng)該正電位進(jìn)一步增加時(shí)，電流ID由于來自源極的電子流動(dòng)而增加，并且由于施加在VGG的電壓而進(jìn)一步推動(dòng)這些電流。因此，施加的VGG越正，漏極電流ID的值就越大。由于電子流的增加比耗盡模式更好，電流得到增強(qiáng)。因此，這種模式被稱為增強(qiáng)模式mos管。

4、P - 溝道 mos管的構(gòu)造(耗盡型)

Pmos管的構(gòu)造和工作與 Nmos管相同。取一個(gè)輕摻雜的n-襯底，其中擴(kuò)散了兩個(gè)重?fù)诫s的P+區(qū)。這兩個(gè) P+ 區(qū)域用作源極和漏極。在表面上生長(zhǎng)一層薄薄的SiO 2 。通過該層切割孔以與 P+ 區(qū)域接觸，如下圖所示。

P - 溝道 mos管的構(gòu)造圖

2、P溝道m(xù)os管的工作原理

當(dāng)柵極端子在V GG處被賦予比漏源電壓V DD負(fù)電位時(shí)，由于存在 P+ 區(qū)域，空穴電流通過擴(kuò)散的 P 溝道增加，PMOS 工作在增強(qiáng)模式。

當(dāng)柵極端子在V GG處被賦予比漏源電壓V DD的正電位時(shí)，由于排斥，發(fā)生耗盡，因此電流減少。因此 Pmos管在耗盡模式下工作。盡管結(jié)構(gòu)不同，但兩種類型的 mos管的工作原理是相似的。因此，隨著電壓極性的變化，這兩種類型都可以在兩種模式中使用。

四、mos管的特性曲線

1、耗盡型mos管的工作狀態(tài)

耗盡型 mos管通常被稱為“開關(guān)導(dǎo)通”器件，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ跂艠O端沒有偏置電壓時(shí)處于閉合狀態(tài)。當(dāng)我們以正向增加施加到柵極的電壓時(shí)，溝道寬度將在耗盡模式下增加。這將增加通過溝道的漏極電流 I D。如果施加的柵極電壓為負(fù)值，則溝道寬度會(huì)變小，mos管可能會(huì)進(jìn)入截止區(qū)。

2、耗盡型mos管的特性曲線

耗盡型mos管晶體管的VI 特性介于漏源電壓 (VDS ) 和漏電流 ( ID ) 之間。柵極端子處的少量電壓將控制流過通道的電流。在漏極和源極之間形成的溝道將充當(dāng)良導(dǎo)體，在柵極端子處具有零偏置電壓。如果向柵極施加正電壓，則溝道寬度和漏極電流會(huì)增加，而當(dāng)我們向柵極施加負(fù)電壓時(shí)，它們會(huì)減小。

耗盡型mos管的特性曲線圖

3、增強(qiáng)型mos管的工作狀態(tài)

mos管在增強(qiáng)模式下的操作類似于打開開關(guān)的操作，只有在柵極端施加正電壓(+VGS)并且漏極電流開始流過器件時(shí)，它才會(huì)開始導(dǎo)通。當(dāng)偏置電壓增加時(shí)，溝道寬度和漏極電流會(huì)增加。但是，如果施加的偏置電壓為零或負(fù)，則晶體管本身將保持在關(guān)閉狀態(tài)。

4、增強(qiáng)型 mos管的特性曲線

增強(qiáng)型 mos管的 VI 特性在漏極電流 (I D ) 和漏源電壓 (V DS )之間繪制。VI 特性分為三個(gè)不同的區(qū)域，即歐姆區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)。截止區(qū)域是mos管將處于關(guān)閉狀態(tài)的區(qū)域，其中施加的偏置電壓為零。當(dāng)施加偏置電壓時(shí)，mos管緩慢地向?qū)Ｊ揭苿?dòng)，并且在歐姆區(qū)發(fā)生電導(dǎo)率的緩慢增加。最后，飽和區(qū)是不斷施加正電壓且mos管將保持導(dǎo)通狀態(tài)的區(qū)域。

增強(qiáng)型 mos管的特性曲線圖

確保mos管在承載選定漏極電流時(shí)保持“導(dǎo)通”所需的最小導(dǎo)通狀態(tài)，柵極電壓可以從上面的 VI 傳遞曲線確定。當(dāng)VIN為高電平或等于VDD時(shí)，mos管Q 點(diǎn)沿負(fù)載線移動(dòng)到A點(diǎn)。

由于溝道電阻的減小，漏極電流I D增加到其最大值。ID成為獨(dú)立于VDD的常數(shù)值，并且僅取決于VGS。因此，晶體管的行為就像一個(gè)閉合的開關(guān)，但由于其RDS(on)值，通道導(dǎo)通電阻不會(huì)完全降低到零，而是變得非常小。

同樣，當(dāng)VIN為低電平或降至零時(shí)，mos管Q點(diǎn)沿負(fù)載線從 A 點(diǎn)移動(dòng)到 B 點(diǎn)。通道電阻非常高，因此晶體管就像開路一樣，沒有電流流過通道。

五、mos管的工作區(qū)域

1、截止區(qū)域

截止區(qū)域是將處于關(guān)閉狀態(tài)并且零電流流過它的區(qū)域。在這里，該裝置起到基本開關(guān)的作用，并在需要它們作為電氣開關(guān)操作時(shí)使用。

這里mos管的工作條件是：

零輸入柵極電壓 ( V IN )

零漏極電流ID

輸出電壓VDS = VDD。

因此，對(duì)于增強(qiáng)型mos管，導(dǎo)電通道關(guān)閉，器件“關(guān)閉”。

截止特性

mos管截止特性圖

輸入和柵極接地(0V)

柵源電壓低于閾值電壓V GS < V TH

mos管為“OFF”(截止區(qū)域)

沒有漏極電流流動(dòng)(ID = 0安培)

VOUT = VDS = VDD = “1”

mos管作為“開路開關(guān)”運(yùn)行

然后，當(dāng)使用 e-mos管作為開關(guān)時(shí)，我們可以將截止區(qū)域或“關(guān)閉模式”定義為柵極電壓，VGS < VTH因此ID = 0。對(duì)于 P 溝道增強(qiáng)型 MOSFET，柵極電位相對(duì)于源極必須更正。

2、飽和區(qū)域

飽和區(qū)器件的漏源電流值將保持不變，而不考慮漏源電壓的增強(qiáng)。當(dāng)漏極到源極端子的電壓增加超過夾斷電壓值時(shí)，這種情況只會(huì)發(fā)生一次。在這種情況下，該器件用作閉合開關(guān)，其中飽和電流通過漏極到源極端流動(dòng)。因此，當(dāng)器件應(yīng)該執(zhí)行切換時(shí)選擇飽和區(qū)域。

** 飽和特性**

mos管飽和特性圖

輸入和門連接到VDD

柵源電壓遠(yuǎn)大于閾值電壓，VGS > VTH

mos管為“ON”(飽和區(qū))

最大漏極電流 ( ID = VDD / RL )

V DS = 0V(理想飽和度)

最小通道電阻RDS(on) < 0.1Ω

由于RDS(on) ， VOUT = VDS ? 0.2V

mos管作為低電阻“閉合開關(guān)”運(yùn)行

然后，當(dāng)使用 e-mos管作為開關(guān)作為柵源電壓時(shí)，我們可以定義飽和區(qū)域或“導(dǎo)通模式”，VGS > VTH。因此ID = 最大值。對(duì)于 P 溝道增強(qiáng)型mos管，柵極電位相對(duì)于源極必須更負(fù)。

通過向柵極施加合適的驅(qū)動(dòng)電壓，漏源通道的電阻R DS(on)可以從數(shù)百 kΩ(實(shí)際上是開路)的“關(guān)斷電阻”變化到“導(dǎo)通電阻”小于 1Ω，有效地起到短路作用。

當(dāng)使用mos管作為開關(guān)時(shí)，我們可以驅(qū)動(dòng)mos管更快或更慢地“導(dǎo)通”，或者通過高電流或低電流。這種將功率mos管 “打開”和“關(guān)閉”的能力允許該器件用作非常高效的開關(guān)，其開關(guān)速度比標(biāo)準(zhǔn)雙極結(jié)型晶體管快得多。

3、線性/歐姆區(qū)域

漏極到源極端子的電流隨著漏極到源極路徑上的電壓的增加而增強(qiáng)的區(qū)域。當(dāng) mos管件該線性區(qū)域內(nèi)工作時(shí)，執(zhí)行放大器功能。

六、mos管的封裝

mos管最常用的封裝是 To-220，為了更好地理解，先看一下著名的IRF540N MOSFET的引腳排列(如下所示)。Gate、Drain 和 Source 引腳在下面列出，這些引腳的順序可能會(huì)因制造商而不通。其他流行的 mos管是IRFZ44N、BS170、IRF520、2N7000等。