MOS管知识解析-mos管结构图、特性与作用

mos管结构图

本文解析mos管(guan)结构图(tu)。我们先来(lai)看(kan)看(kan)MOS管(guan)是(shi)什么(me)，mos管(guan)是(shi)金属(metal)、氧化物(oxide)、半(ban)导体(ti)(semiconductor)场效应晶(jing)体(ti)管(guan)，或者称是(shi)金属—绝缘体(ti)(insulator)、半(ban)导体(ti)。MOS管(guan)的(de)source和drain是(shi)可以对(dui)调(diao)的(de)，他们都是(shi)在P型(xing)backgate中形成的(de)N型(xing)区(qu)(qu)。在多数(shu)情(qing)况下，这个(ge)两(liang)个(ge)区(qu)(qu)是(shi)一样的(de)，即使两(liang)端(duan)对(dui)调(diao)也不会影响器(qi)件的(de)性能。这样的(de)器(qi)件被认(ren)为是(shi)对(dui)称的(de)。

MOS管分(fen)(fen)为：增强型（又有(you)N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)、P沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)之分(fen)(fen)）及耗(hao)尽(jin)型（分(fen)(fen)有(you)N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)、P沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)）。N沟(gou)(gou)(gou)道(dao)(dao)增强型MOSFET的结构(gou)示意图和符号见(jian)上图。

电(dian)极(ji)(ji) D（Drain） 称为漏极(ji)(ji)，相当双极(ji)(ji)型三(san)极(ji)(ji)管的集电(dian)极(ji)(ji)；

电极(ji) G（Gate） 称为栅极(ji)，相(xiang)当于的基极(ji)；

电极(ji) S（Source）称(cheng)为源极(ji)，相当于(yu)发射极(ji)。

mos管结构图-N沟道增强型MOS管结构

N沟道增强型MOS管(guan)(guan)结构图，在(zai)(zai)一(yi)(yi)块掺(chan)杂(za)浓(nong)度(du)较低的(de)(de)P型硅衬底(di)(di)上(shang)，制作(zuo)两(liang)个高(gao)掺(chan)杂(za)浓(nong)度(du)的(de)(de)N+区，并用金属铝引(yin)(yin)出两(liang)个电(dian)极(ji)(ji)，分别(bie)作(zuo)漏极(ji)(ji)d和(he)源(yuan)极(ji)(ji)s。然后在(zai)(zai)半导体表面(mian)覆盖一(yi)(yi)层(ceng)很薄的(de)(de)二氧化(hua)硅(SiO2)绝缘层(ceng)，在(zai)(zai)漏——源(yuan)极(ji)(ji)间(jian)的(de)(de)绝缘层(ceng)上(shang)再(zai)装上(shang)一(yi)(yi)个铝电(dian)极(ji)(ji),作(zuo)为栅极(ji)(ji)g。衬底(di)(di)上(shang)也引(yin)(yin)出一(yi)(yi)个电(dian)极(ji)(ji)B，这(zhei)就构成了一(yi)(yi)个N沟道增强型MOS管(guan)(guan)。MOS管(guan)(guan)的(de)(de)源(yuan)极(ji)(ji)和(he)衬底(di)(di)通(tong)常是接(jie)在(zai)(zai)一(yi)(yi)起的(de)(de)(大多数管(guan)(guan)子(zi)在(zai)(zai)出厂(chang)前(qian)已连接(jie)好)。它(ta)的(de)(de)栅极(ji)(ji)与其它(ta)电(dian)极(ji)(ji)间(jian)是绝缘的(de)(de)。

图(a)、(b)分别是(shi)它的(de)(de)结构示(shi)意(yi)图和(he)代表(biao)符(fu)号。代表(biao)符(fu)号中(zhong)的(de)(de)箭头方向表(biao)示(shi)由P(衬底)指(zhi)向N(沟(gou)道)。P沟(gou)道增强型MOS管(guan)的(de)(de)箭头方向与上(shang)述相反，如图(c)所示(shi)。

N沟道增强型MOS场效应管的工作原理

（1）vGS对(dui)iD及沟道的(de)控制作用

① vGS=0 的情况

从图1(a)可以看(kan)出，增强型MOS管(guan)的(de)漏(lou)极(ji)d和源极(ji)s之(zhi)间有(you)两个(ge)(ge)背靠背的(de)PN结(jie)。当栅——源电压(ya)(ya)vGS=0时(shi)，即使加上(shang)漏(lou)——源电压(ya)(ya)vDS，而且不(bu)论vDS的(de)极(ji)性如何，总有(you)一个(ge)(ge)PN结(jie)处于(yu)反(fan)偏状态，漏(lou)——源极(ji)间没有(you)导电沟道，所以这时(shi)漏(lou)极(ji)电流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅(zha)极和衬底(di)之间的SiO2绝(jue)缘层(ceng)中便产生一个(ge)电(dian)场(chang)(chang)。电(dian)场(chang)(chang)方向垂直于半(ban)导(dao)体表面的由栅(zha)极指向衬底(di)的电(dian)场(chang)(chang)。这个(ge)电(dian)场(chang)(chang)能排斥空穴而吸引电(dian)子。

排(pai)斥空(kong)穴：使栅极附近的(de)P型(xing)衬底中的(de)空(kong)穴被排(pai)斥，剩下不能移(yi)动的(de)受主离子(zi)(负(fu)离子(zi))，形成耗(hao)尽层。吸引(yin)电子(zi)：将(jiang) P型(xing)衬底中的(de)电子(zi)（少子(zi)）被吸引(yin)到衬底表面。

（2）导(dao)电沟道(dao)的形成(cheng)：

当vGS数值(zhi)(zhi)较(jiao)小(xiao)，吸(xi)引电(dian)(dian)子(zi)(zi)的能力不强时，漏——源(yuan)极(ji)之间仍无导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)出(chu)现，如(ru)图1(b)所(suo)示。vGS增加时，吸(xi)引到(dao)P衬底(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)层(ceng)的电(dian)(dian)子(zi)(zi)就增多，当vGS达到(dao)某一(yi)数值(zhi)(zhi)时，这些电(dian)(dian)子(zi)(zi)在栅极(ji)附近的P衬底(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)便(bian)形成(cheng)一(yi)个(ge)N型薄层(ceng)，且与两个(ge)N+区相连(lian)通，在漏——源(yuan)极(ji)间形成(cheng)N型导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)，其导(dao)电(dian)(dian)类型与P衬底(di)(di)相反，故又称为反型层(ceng)，如(ru)图1(c)所(suo)示。vGS越大，作用于半(ban)导(dao)体表(biao)面(mian)(mian)的电(dian)(dian)场就越强，吸(xi)引到(dao)P衬底(di)(di)表(biao)面(mian)(mian)的电(dian)(dian)子(zi)(zi)就越多，导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)越厚，沟(gou)道(dao)(dao)电(dian)(dian)阻(zu)越小(xiao)。

开始形成沟(gou)(gou)道(dao)(dao)时(shi)(shi)的栅——源极电(dian)压(ya)称为(wei)开启电(dian)压(ya)，用VT表(biao)示。上面(mian)讨论(lun)的N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)MOS管(guan)(guan)在(zai)(zai)vGS＜VT时(shi)(shi)，不能(neng)形成导电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)，管(guan)(guan)子处于(yu)截止状(zhuang)态。只有当(dang)vGS≥VT时(shi)(shi)，才有沟(gou)(gou)道(dao)(dao)形成。这种(zhong)必须在(zai)(zai)vGS≥VT时(shi)(shi)才能(neng)形成导电(dian)沟(gou)(gou)道(dao)(dao)的MOS管(guan)(guan)称为(wei)增强型MOS管(guan)(guan)。沟(gou)(gou)道(dao)(dao)形成以后，在(zai)(zai)漏(lou)——源极间加上正向电(dian)压(ya)vDS，就有漏(lou)极电(dian)流产(chan)生。

vDS对(dui)iD的影响

如图(a)所示，当vGS>VT且为(wei)一(yi)确定(ding)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(ying)管相似。

漏极电(dian)流iD沿沟(gou)(gou)(gou)道(dao)产生的电(dian)压降(jiang)使(shi)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)内各点与栅极间的电(dian)压不再相等，靠近源极一端的电(dian)压最(zui)大，这(zhei)里(li)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)最(zui)厚，而漏极一端电(dian)压最(zui)小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这(zhei)里(li)沟(gou)(gou)(gou)道(dao)最(zui)薄(bo)。但(dan)当vDS较(jiao)小（vDS）。

随着(zhe)vDS的(de)增大，靠近漏极(ji)(ji)的(de)沟(gou)道越来(lai)越薄，当vDS增加到(dao)使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时(shi)，沟(gou)道在(zai)漏极(ji)(ji)一端出现预(yu)夹(jia)断，如图(tu)2(b)所示。再继续(xu)增大vDS，夹(jia)断点将向(xiang)源极(ji)(ji)方向(xiang)移动，如图(tu)2(c)所示。由(you)于vDS的(de)增加部分几(ji)乎全部降落在(zai)夹(jia)断区，故(gu)iD几(ji)乎不随vDS增大而增加，管子进入饱(bao)和区，iD几(ji)乎仅(jin)由(you)vGS决定。

mos管结构图-N沟道耗尽型MOS管基本结构

N沟道耗尽型(xing)MOS管结构(gou)图如(ru)下：

（1）mos管结构图(tu)：

N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强(qiang)型MOS管基本相似。

（2）区别(bie)：

耗尽型MOS管(guan)在vGS=0时，漏(lou)——源极(ji)间(jian)已有导(dao)电沟(gou)道产生，而(er)增强(qiang)型MOS管(guan)要在vGS≥VT时才出现导(dao)电沟(gou)道。

（3）原因：

制造N沟(gou)道(dao)耗尽型(xing)MOS管时，在SiO2绝缘(yuan)层中掺入了大量(liang)的碱金(jin)属正离子(zi)Na+或(huo)K+(制造P沟(gou)道(dao)耗尽型(xing)MOS管时掺入负离子(zi))，如图(tu)1(a)所示(shi)，因此即使(shi)vGS=0时，在这些(xie)正离子(zi)产生(sheng)(sheng)的电场作用下，漏(lou)——源极间(jian)的P型(xing)衬(chen)底表(biao)面也能感应生(sheng)(sheng)成N沟(gou)道(dao)(称为初始(shi)沟(gou)道(dao))，只(zhi)要加上正向电压(ya)vDS，就有电流(liu)iD。

如果加上正的(de)(de)vGS，栅(zha)极(ji)与(yu)N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)间的(de)(de)电(dian)(dian)场(chang)将(jiang)在(zai)沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)中(zhong)吸引来更多的(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)(zi)，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)加宽，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)电(dian)(dian)阻变(bian)(bian)小，iD增大(da)。反之vGS为负时(shi)，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)中(zhong)感应(ying)的(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)(zi)减少，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)变(bian)(bian)窄，沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)电(dian)(dian)阻变(bian)(bian)大(da)，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时(shi)，导电(dian)(dian)沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)消(xiao)失(shi)，iD趋(qu)于(yu)零，管(guan)子(zi)(zi)截止，故称(cheng)为耗尽型(xing)。沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)消(xiao)失(shi)时(shi)的(de)(de)栅(zha)－源电(dian)(dian)压(ya)称(cheng)为夹断(duan)电(dian)(dian)压(ya)，仍用VP表示。与(yu)N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)结型(xing)场(chang)效应(ying)管(guan)相同，N沟(gou)(gou)(gou)(gou)道(dao)耗尽型(xing)MOS管(guan)的(de)(de)夹断(duan)电(dian)(dian)压(ya)VP也为负值，但是(shi)，前者只能在(zai)vGS<0的(de)(de)情况下工作。而后者在(zai)vGS=0，vGS>0。

P沟道耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET的(de)工(gong)作原理与N沟道MOSFET完全(quan)相同，只不过(guo)导电的(de)载流子不同，供(gong)电电压极性不同而(er)已。这如同双(shuang)极型(xing)三极管有NPN型(xing)和(he)PNP型(xing)一样。

MOS管特性

mos管结(jie)构图讲完，来看看MOS管特(te)性(xing)。上(shang)述MOS管的(de)(de)工(gong)作原理(li)中可(ke)以(yi)看出，MOS管的(de)(de)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)G和源极(ji)(ji)(ji)(ji)S之间(jian)是绝(jue)缘(yuan)(yuan)的(de)(de)，由于SiO2绝(jue)缘(yuan)(yuan)层的(de)(de)存在(zai)，在(zai)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)G和源极(ji)(ji)(ji)(ji)S之间(jian)等(deng)效是一个电(dian)容存在(zai)，电(dian)压(ya)VGS产(chan)生电(dian)场从而(er)导致源极(ji)(ji)(ji)(ji)-漏极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)流的(de)(de)产(chan)生。此时(shi)的(de)(de)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)压(ya)VGS决定了漏极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)流的(de)(de)大小(xiao)，控制(zhi)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)压(ya)VGS的(de)(de)大小(xiao)就可(ke)以(yi)控制(zhi)漏极(ji)(ji)(ji)(ji)电(dian)流ID的(de)(de)大小(xiao)。这就可(ke)以(yi)得出如下结(jie)论：

1） mos管(guan)是一个(ge)由改变(bian)电(dian)压(ya)来控制电(dian)流的器件，所以是电(dian)压(ya)器件。

2） mos管(guan)道输(shu)入特(te)性为容性特(te)性，所以输(shu)入阻抗(kang)极高。

mos管作用

1.可应用(yong)于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗(kang)很高，因此耦合电容(rong)可以容(rong)量(liang)较小，不(bu)必使用(yong)电解电容(rong)器。

2.很高的(de)输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于(yu)多级(ji)放大器(qi)的(de)输入级(ji)作阻抗变换。

3.可(ke)以用作可(ke)变电(dian)阻。

4.可以方便地用作恒流(liu)源。

5.可以用作电子开关。

6.在电路设计上(shang)的灵活性(xing)大(da)。栅偏(pian)压可正可负(fu)(fu)可零，三极(ji)管只能在正向偏(pian)置下工作(zuo)，电子管只能在负(fu)(fu)偏(pian)压下工作(zuo)。另外输入阻抗高(gao)，可以减轻信号源负(fu)(fu)载，易于跟前(qian)级匹配(pei)。

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