MOS管工作原理

场效应管的工作原理及特性

场效应管（FET）分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管，即金属-氧化物-半导体。下面以增强型NMOS为例，介绍MOS管的工作原理。

MOS管的基本结构

增强型NMOS的结构图如图 18所示，在参杂浓度较低的P型硅衬底上，制作两个高参杂浓度的N型沟槽。分别用铝从两个N型沟槽中引出两个电极分别作为源极S和漏极D（此时的源极和漏极在结构上没有区别是可以互换的）。然后在半导体的表面覆盖一层很薄的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。另外在衬底上也引出一个电极B。

 图18

在出厂前大多数MOS管的衬底已经和源极连在了一起，此时源极S和漏极D就有了区别，不能再互换了。

MOS管出现导电沟道（反型层的形成）

在UGS=0时，无论UDS的大小和极性，都会使得2个GS和DG这两个PN结中一个正偏，另一个反偏。但是由于两个N区之间被P衬底隔离，所以没有办法形成电流，情况如图 19所示。

 

 图19

当在栅源极之间加上正向电压（所谓的正向电压永远是指电场方向是从P区指向N区）后，则在栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个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，因而使栅极附近的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，同时P衬底中的少子电子被吸引到衬底表面。当UGS增加大一定大小时，随着SiO2绝缘层中电场的增强，会将更多的电子吸引到P衬底的表面，于是栅极附近会形成一个N型薄层，且与两个N区联通。此时就形成了导电沟道，于是在DS之间就有电流可以通过了，其情况如图 20所示。

 

 图20

在这个阶段，如果UDS保持不变，UGS增加会导致导电沟道变厚，从而ID变大。

MOS管预夹断的形成

（预夹断的形成是在理解初期的一个难点，这里的描述是参考了一些文献之后自己的理解，正确性还需要考证）

当UGS>UGSTH时，导电沟道形成，与S和D极连在一起形成了一个大的N型半导体。所以当在DS间加上正电压之后，电流可以在N型半导体中流动。

设想UDS=0时，ID=0，SiO2绝缘层与导电沟道之间的电场是均匀分布的，即从D到S的导电沟道一样厚。但是导电沟道作为导体的一部分，一定是有电阻的。随着UDS的增加，ID的增大，靠近S端的电势会比靠近N处的电势要低。这里很重要的一点是在这个过程中SiO2平面上各个点的电势是均匀的，所以在导电沟道不同点与SiO2之间的电场强度是不一样的。

如果以S端的电势为0的话，随着ID的不断增大，D点的电势会达到UGS-UGSTH。此时UG与UD之间的电势差为UGSTH，此时靠近D点处的电势差恰好达到可以产生导电沟道的情况，于是在D极处就开始出现如图 21所示的预夹断。

 

图 21

随着ID的继续增大，预夹断的点会不断往左移动，如图 22所示。但是无论如何移动，预夹断点与G之间的电压差保持为|UGSTH|。

 

图 22

另外非常重要的一点是，在预夹断的区域内，纵向的电势差不足以出现导电沟道，但是由于DS间的电势差都落在了这段预夹断区域内（即D极至夹断点区域内，且方向是从D极横向指向夹断点），于是夹断区内有很强的横向电场。于是当载流子到达夹断区边沿时，会被电场拉出，从D极输出。所以预夹断并不是不能导电，反而可以很好地完成导电。

预夹断的过程中ID为什么不变

有了以上认识就可以解释为什么在预夹断过程中UDS继续增大，ID的值可以保持不变。在进入预夹断之后，UDS继续增大的过程中，夹断点不断向S极移动，但是保持了夹断点和S极之间的电压保持不变（数值上等于|UGSTH|）。即增加的UDS的电压全部落在了夹断区内。（这里有一点没法从原理上解释，但是可以从结果反推，就是虽然导电沟道的长度在缩短，但是电阻值没有什么变化）于是ID的值保持不变。

当反向电压达到一定程度的时候就出现了反向击穿，场效应管就坏了。

场效应管的特性曲线

 图 23

 图 24

图 23和图 24的左侧为漏极输出特性曲线，右侧为转移特性曲线。

特性曲线中在VGS=-4V的曲线下方可以成为截止区，该区域的情况是VGS还没有到达导电沟道导通电压，整个MOS管还没有开始导电。

可变电阻区又称为放大区，在VDS一定的的情况下ID的大小直接受到VGS的控制，且基本为线性关系。注意三极管中的放大区和MOS管的放大区有很大区别，不能觉得是相似的。

恒流区又称为饱和区，此时ID大小只收到VGS的控制，VDS变化过程中ID的大小不变。

场效应管的符号

场效应管的分类列表如下:

 图 25

结型场效应管（JFET）和绝缘栅性场效应管（MOSFET）的区别

 图 26

本文中详细介绍的是绝缘栅型场效应管，如图26右侧图所示。而左侧这种结构称为结型场效应管，其工作原理大致如下：

在UGS没有电压的情况下，在两个P区之间形成N区通道，连接着D极和S极。当UDS有电压时在N型半导体内形成电流。当G、S间加上反向电压UGS后（所谓反向电压是指从N区指向P区的电压），在电场力作用下N区通道逐渐变窄，直至消失，从而ID减为0。其特性曲线如图 27所示。

 图 27

1.增强型绝缘栅晶体管和耗尽型绝缘栅晶体管

 图 28

本文中详细介绍的是增强型绝缘栅型场效应管，耗尽型绝缘栅型场效应管在SiO2绝缘层中掺杂了大量的金属正离子，所以在UGS没有电压的情况下这些正离子感应出反型层，形成导电沟道；于是UGS的作用就是抑制导电沟道。

1.P沟道还是N沟道
就是中间的半导体类型是P还是N。

2.符号的说明
只有一根垂直线的为结型场效应管；两个线的为绝缘栅型晶体管。

第二根线为虚线，为增强型绝缘栅型晶体管；为实线的为耗尽型晶体管。

箭头永远从P指向N，而且永远是从G（漏）极输出。结型场效应管和绝缘栅型晶体管箭头作用看起来有点反的原因是G极的位置不同了。

 

MOS管与三极管的区别

场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b和集电极c，作用相似。
场效应管是电压控制电流器件，场效应管的栅极基本不需要电流；而三极管的基极总是需要一些电流的。所以在希望控制端基本没有电流的情况下应该是一场效应管；而在允许一定量电流时，选取三极管进行放大可以得到较场效应管更大的放大倍数。
场效应管是利用多子导电，三极管是即利用多子又利用少子。少子的浓度收到温度、辐射等外界条件影响场效应管相比于三极管温度稳定性好、抗辐射能力强。
当场效应管的源极和衬底没有连接在一起时，源极和漏极可以互换使用。而三极管的集电极和设计差异很大，不能互换。
场效应管的噪声系数小，在信噪比是主要矛盾时选择场效应管。

 

-----以上ZZ From https://blog.csdn.net/techexchangeischeap/article/details/71430330

 

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1，MOS管种类和结构
MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管型号和增强型的P沟道MOS管型号，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载，这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。

 

 2，MOS管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

3，MOS开关管损失
不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

4，MOS管驱动
跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。

5，MOS管应用电路
MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源，也有照明调光。
现在的MOS驱动，有几个特别的需求。1，低压应用当使用5V电源，这时候如果使用传统的图腾柱结构，由于三极管的be有0.7V左右的压降，导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候，我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。 同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

 

-----以上ZZ From http://www.kiaic.com/article/detail/151

 

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