mos管的结构图及工作原理（N沟道与P沟道）图解详情

mos管概述

mos管(guan)的(de)(de)结(jie)构图详解，mos管(guan)是金属(shu)(metal)、氧(yang)化(hua)物(oxide)、半(ban)导体(semiconductor)场效应晶体管(guan)，或者(zhe)称(cheng)是金属(shu)—绝缘(yuan)体(insulator)、半(ban)导体。MOS管(guan)的(de)(de)source和drain是可以对调的(de)(de)，他(ta)们都是在(zai)P型(xing)backgate中形成的(de)(de)N型(xing)区(qu)。在(zai)多数(shu)情况下，这个两(liang)(liang)个区(qu)是一样(yang)的(de)(de)，即使两(liang)(liang)端对调也(ye)不会影响器(qi)件(jian)的(de)(de)性能。这样(yang)的(de)(de)器(qi)件(jian)被认为是对称(cheng)的(de)(de)。

mos管的结构图与工作原理

其结构示意图：

MOS场效应三极管(guan)分(fen)为：增强型（又有(you)N沟(gou)(gou)道(dao)、P沟(gou)(gou)道(dao)之分(fen)）及(ji)耗尽型（分(fen)有(you)N沟(gou)(gou)道(dao)、P沟(gou)(gou)道(dao)）。N沟(gou)(gou)道(dao)增强型MOSFET的结(jie)构示意(yi)图和符号(hao)见(jian)上图。其中：电极 D（Drain） 称(cheng)为漏极，相当双极型三极管(guan)的集电极；

电极(ji)G（Gate） 称为栅极(ji)，相当(dang)于的(de)基极(ji)；

电(dian)极(ji)S（Source）称(cheng)为源(yuan)极(ji)，相(xiang)当于(yu)发射极(ji)。

mos管的结构图-N沟道增强型MOS场效应管结构

mos管(guan)(guan)的(de)(de)结构(gou)图(tu)，N沟道增(zeng)强型MOS场效应(ying)管(guan)(guan)结构(gou)如下文(wen)。在(zai)一块掺杂浓度较低的(de)(de)P型硅衬(chen)(chen)底上，制作两个高(gao)掺杂浓度的(de)(de)N+区(qu)，并用金属(shu)铝(lv)引(yin)出(chu)两个电极(ji)(ji)，分别作漏极(ji)(ji)d和源极(ji)(ji)s。然后在(zai)半导体(ti)表面覆盖一层很薄(bo)的(de)(de)二(er)氧(yang)化(hua)硅(SiO2)绝(jue)缘层，在(zai)漏——源极(ji)(ji)间的(de)(de)绝(jue)缘层上再装上一个铝(lv)电极(ji)(ji),作为栅(zha)极(ji)(ji)g。衬(chen)(chen)底上也引(yin)出(chu)一个电极(ji)(ji)B，这(zhei)就(jiu)构(gou)成了一个N沟道增(zeng)强型MOS管(guan)(guan)。MOS管(guan)(guan)的(de)(de)源极(ji)(ji)和衬(chen)(chen)底通常是接在(zai)一起(qi)的(de)(de)(大多数管(guan)(guan)子(zi)在(zai)出(chu)厂前已连(lian)接好)。它的(de)(de)栅(zha)极(ji)(ji)与(yu)其它电极(ji)(ji)间是绝(jue)缘的(de)(de)。

图(a)、(b)分别是(shi)它的(de)(de)结构示意图和代表符(fu)号(hao)。代表符(fu)号(hao)中(zhong)的(de)(de)箭(jian)头(tou)方(fang)(fang)向(xiang)表示由P(衬底)指向(xiang)N(沟(gou)道(dao))。P沟(gou)道(dao)增强型MOS管的(de)(de)箭(jian)头(tou)方(fang)(fang)向(xiang)与上述相反，如图(c)所示。

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(dao)增强型MOS场效应管的工作原理(li)。

（1）vGS对iD及沟(gou)道的(de)控(kong)制作(zuo)用(yong)

① vGS=0 的情(qing)况

从图1(a)可(ke)以(yi)看出，增强(qiang)型(xing)MOS管的(de)(de)漏极(ji)d和(he)源极(ji)s之(zhi)间(jian)有(you)两(liang)个(ge)背靠(kao)背的(de)(de)PN结。当栅——源电压(ya)vGS=0时(shi)，即使加上漏——源电压(ya)vDS，而且(qie)不(bu)论(lun)vDS的(de)(de)极(ji)性如何(he)，总有(you)一(yi)个(ge)PN结处于反偏(pian)状态，漏——源极(ji)间(jian)没有(you)导电沟道(dao)，所以(yi)这时(shi)漏极(ji)电流iD≈0。

② vGS>0 的(de)情况

若vGS＞0，则栅(zha)极和衬底之间的(de)SiO2绝(jue)缘层(ceng)中便(bian)产生一个电(dian)(dian)场(chang)。电(dian)(dian)场(chang)方向(xiang)垂直于半导(dao)体表(biao)面(mian)的(de)由栅(zha)极指向(xiang)衬底的(de)电(dian)(dian)场(chang)。这个电(dian)(dian)场(chang)能(neng)排斥(chi)空穴而吸引电(dian)(dian)子。

排斥(chi)空穴(xue)：使栅极附(fu)近(jin)的(de)P型衬(chen)(chen)底(di)中的(de)空穴(xue)被排斥(chi)，剩下不能(neng)移动的(de)受(shou)主离子(zi)(负离子(zi))，形成耗尽层(ceng)。吸引电子(zi)：将 P型衬(chen)(chen)底(di)中的(de)电子(zi)（少子(zi)）被吸引到衬(chen)(chen)底(di)表(biao)面。

（2）导电沟道(dao)的形成：

当vGS数值较(jiao)小，吸(xi)引(yin)电(dian)(dian)子的(de)能力不强(qiang)时，漏——源(yuan)(yuan)极之间(jian)仍无(wu)导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)出现，如图1(b)所示。vGS增加时，吸(xi)引(yin)到(dao)(dao)P衬(chen)底(di)表(biao)面层的(de)电(dian)(dian)子就增多，当vGS达到(dao)(dao)某(mou)一数值时，这些(xie)电(dian)(dian)子在栅极附近的(de)P衬(chen)底(di)表(biao)面便形成一个(ge)N型(xing)薄层，且与两个(ge)N+区相连通，在漏——源(yuan)(yuan)极间(jian)形成N型(xing)导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)，其(qi)导电(dian)(dian)类型(xing)与P衬(chen)底(di)相反(fan)，故又称为(wei)反(fan)型(xing)层，如图1(c)所示。vGS越大，作(zuo)用于半导体表(biao)面的(de)电(dian)(dian)场就越强(qiang)，吸(xi)引(yin)到(dao)(dao)P衬(chen)底(di)表(biao)面的(de)电(dian)(dian)子就越多，导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)(dao)越厚，沟(gou)道(dao)(dao)电(dian)(dian)阻越小。

开(kai)始形成(cheng)沟(gou)道(dao)时的栅——源极电压称为开(kai)启电压，用(yong)VT表示(shi)。

上(shang)面(mian)讨(tao)论的(de)N沟(gou)道(dao)(dao)MOS管(guan)在(zai)vGS＜VT时，不能形(xing)成导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)(dao)，管(guan)子(zi)处(chu)于截止状态(tai)。只(zhi)有当(dang)vGS≥VT时，才有沟(gou)道(dao)(dao)形(xing)成。这(zhei)种必须在(zai)vGS≥VT时才能形(xing)成导(dao)电(dian)沟(gou)道(dao)(dao)的(de)MOS管(guan)称(cheng)为增(zeng)强(qiang)型(xing)MOS管(guan)。沟(gou)道(dao)(dao)形(xing)成以后，在(zai)漏(lou)——源极间(jian)加上(shang)正向电(dian)压vDS，就有漏(lou)极电(dian)流产生。

vDS对iD的影响

如图(tu)(a)所示，当vGS>VT且(qie)为一确定值(zhi)时，漏——源电压vDS对导(dao)电沟道及电流iD的(de)影响与结型场(chang)效应管相似。

漏极(ji)电流iD沿沟道(dao)产生的电压降使沟道(dao)内各点与栅极(ji)间的电压不(bu)再(zai)相等(deng)，靠近(jin)源极(ji)一(yi)端(duan)的电压最(zui)大，这里沟道(dao)最(zui)厚(hou)，而漏极(ji)一(yi)端(duan)电压最(zui)小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟道(dao)最(zui)薄。但当vDS较小（vDS）。

随着vDS的增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)，靠近漏(lou)极的沟(gou)道越来越薄，当vDS增(zeng)(zeng)(zeng)加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时(shi)，沟(gou)道在(zai)漏(lou)极一端出(chu)现(xian)预(yu)夹断，如(ru)(ru)图2(b)所示。再继续增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)vDS，夹断点将(jiang)向源极方向移动，如(ru)(ru)图2(c)所示。由于(yu)vDS的增(zeng)(zeng)(zeng)加部(bu)分几乎(hu)全部(bu)降落在(zai)夹断区，故iD几乎(hu)不随vDS增(zeng)(zeng)(zeng)大(da)而增(zeng)(zeng)(zeng)加，管子进入饱和区，iD几乎(hu)仅由vGS决(jue)定(ding)。

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(de)结构(gou)图（N沟(gou)道耗尽型基本(ben)结构(gou)）

（1）结(jie)构(gou)：

N沟(gou)道(dao)耗尽(jin)型MOS管与N沟(gou)道(dao)增强型MOS管基本(ben)相似。

（2）区别：

耗尽型MOS管在(zai)vGS=0时(shi)(shi)，漏(lou)——源极(ji)间已有导(dao)电沟道产生，而(er)增强(qiang)型MOS管要在(zai)vGS≥VT时(shi)(shi)才出现导(dao)电沟道。

（3）原因：

制(zhi)造N沟道(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的(de)碱金属(shu)正离(li)子Na+或K+(制(zhi)造P沟道(dao)(dao)耗(hao)尽型(xing)MOS管时掺入负离(li)子)，如图1(a)所示(shi)，因此即使vGS=0时，在这些正离(li)子产生的(de)电场作(zuo)用下(xia)，漏——源极间(jian)的(de)P型(xing)衬底表面也能感(gan)应生成N沟道(dao)(dao)(称为初始沟道(dao)(dao))，只要加上正向电压vDS，就有(you)电流iD。

如果加上正的(de)vGS，栅(zha)极(ji)与(yu)N沟(gou)(gou)(gou)道间(jian)的(de)电(dian)场将在(zai)(zai)沟(gou)(gou)(gou)道中(zhong)吸引来更多的(de)电(dian)子，沟(gou)(gou)(gou)道加宽，沟(gou)(gou)(gou)道电(dian)阻(zu)变(bian)(bian)小(xiao)，iD增大(da)。反之(zhi)vGS为(wei)负时(shi)(shi)，沟(gou)(gou)(gou)道中(zhong)感(gan)应的(de)电(dian)子减(jian)少，沟(gou)(gou)(gou)道变(bian)(bian)窄(zhai)，沟(gou)(gou)(gou)道电(dian)阻(zu)变(bian)(bian)大(da)，iD减(jian)小(xiao)。当vGS负向(xiang)增加到(dao)某一数值时(shi)(shi)，导电(dian)沟(gou)(gou)(gou)道消失(shi)，iD趋于(yu)零(ling)，管(guan)子截止(zhi)，故称为(wei)耗尽(jin)型。沟(gou)(gou)(gou)道消失(shi)时(shi)(shi)的(de)栅(zha)－源电(dian)压称为(wei)夹(jia)断电(dian)压，仍用(yong)VP表示。与(yu)N沟(gou)(gou)(gou)道结(jie)型场效应管(guan)相同(tong)，N沟(gou)(gou)(gou)道耗尽(jin)型MOS管(guan)的(de)夹(jia)断电(dian)压VP也为(wei)负值，但是(shi)，前者只能在(zai)(zai)vGS<0的(de)情(qing)况下工作。而后者在(zai)(zai)vGS=0，vGS>0。

P沟道耗尽型MOSFET

P沟道(dao)(dao)MOSFET的(de)工作原理与N沟道(dao)(dao)MOSFET完(wan)全(quan)相同(tong)，只不过导电的(de)载流子不同(tong)，供电电压极性(xing)不同(tong)而已(yi)。这如(ru)同(tong)双极型(xing)三(san)极管有(you)NPN型(xing)和PNP型(xing)一样。

mos管的作用

1.可应(ying)用(yong)于放(fang)大。由于场效应(ying)管放(fang)大器(qi)的输入阻抗很(hen)高，因此耦(ou)合电容可以容量较(jiao)小(xiao)，不必(bi)使用(yong)电解电容器(qi)。

2.很(hen)高的输入阻(zu)抗非常适合作阻(zu)抗变(bian)换。常用于多级放(fang)大器(qi)的输入级作阻(zu)抗变(bian)换。

3.可以用(yong)作(zuo)可变电阻。

4.可以(yi)方便地用作恒流(liu)源。

5.可(ke)以用作电(dian)子开关。

6.在电路(lu)设计(ji)上(shang)的灵活性大(da)。栅偏(pian)压(ya)可正可负(fu)可零，三极(ji)管(guan)只(zhi)能(neng)在正向偏(pian)置下工作，电子(zi)管(guan)只(zhi)能(neng)在负(fu)偏(pian)压(ya)下工作。另外输入阻抗(kang)高(gao)，可以减轻信号(hao)源负(fu)载，易于跟前级(ji)匹(pi)配。

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