n沟道和p沟道图片（结构、工作原理）两种最基本的MOS管

n沟(gou)道和(he)p沟(gou)道图片(pian)详解，mos管是金(jin)属(metal)、氧化物(oxide)、半(ban)导体(ti)(semiconductor)场效应晶体(ti)管，或者称(cheng)是金(jin)属—绝缘体(ti)(insulator)、半(ban)导体(ti)。MOS管的source和(he)drain是可以(yi)对调的，他们都是在P型backgate中形(xing)成的N型区。在多(duo)数情况下，这(zhei)个两个区是一(yi)样(yang)的，即使两端对调也不(bu)会影响器件的性能。这(zhei)样(yang)的器件被认为是对称(cheng)的。

n沟道和p沟道图片-N沟道增强型MOS管结构与工作原理

（一）N沟道增强型MOS管结构

n沟(gou)道(dao)(dao)和(he)p沟(gou)道(dao)(dao)图片，N沟(gou)道(dao)(dao)增(zeng)强型MOS场效(xiao)应管结构(gou)如下文。在(zai)一块掺(chan)杂浓(nong)度较低的(de)P型硅衬底上(shang)，制作(zuo)两个高掺(chan)杂浓(nong)度的(de)N+区，并用金属铝(lv)引(yin)(yin)出两个电(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)，分别作(zuo)漏(lou)极(ji)(ji)(ji)(ji)d和(he)源极(ji)(ji)(ji)(ji)s。然后在(zai)半导体(ti)表面覆盖一层很薄的(de)二氧化硅(SiO2)绝(jue)(jue)缘(yuan)层，在(zai)漏(lou)——源极(ji)(ji)(ji)(ji)间的(de)绝(jue)(jue)缘(yuan)层上(shang)再装上(shang)一个铝(lv)电(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji),作(zuo)为栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)g。衬底上(shang)也引(yin)(yin)出一个电(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)B，这就(jiu)构(gou)成了一个N沟(gou)道(dao)(dao)增(zeng)强型MOS管。MOS管的(de)源极(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)衬底通常是接在(zai)一起(qi)的(de)(大多数管子在(zai)出厂前已连接好)。它(ta)的(de)栅(zha)极(ji)(ji)(ji)(ji)与其它(ta)电(dian)极(ji)(ji)(ji)(ji)间是绝(jue)(jue)缘(yuan)的(de)。

图(tu)(a)、(b)分别(bie)是它的结构示意(yi)图(tu)和(he)代表符号。代表符号中的箭头方(fang)向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管(guan)的箭头方(fang)向与上述相反，如(ru)图(tu)(c)所示。

（二）N沟道增强型MOS管工作原理

n沟道和p沟道图片，N沟道增强(qiang)型MOS场效应管(guan)的工(gong)作原理。

（1）vGS对iD及沟道的控制作用

① vGS=0 的情况

从(cong)图1(a)可(ke)以(yi)看出，增强型MOS管(guan)的(de)漏极(ji)d和(he)源(yuan)极(ji)s之间有(you)两(liang)个(ge)背靠背的(de)PN结(jie)。当栅——源(yuan)电(dian)压vGS=0时，即使加上漏——源(yuan)电(dian)压vDS，而(er)且不论vDS的(de)极(ji)性如(ru)何(he)，总有(you)一个(ge)PN结(jie)处于反偏状(zhuang)态(tai)，漏——源(yuan)极(ji)间没有(you)导(dao)电(dian)沟道，所以(yi)这时漏极(ji)电(dian)流iD≈0。

② vGS>0 的情况

若vGS＞0，则栅极和衬(chen)底之间的SiO2绝缘层中便产(chan)生一(yi)个电(dian)(dian)场(chang)。电(dian)(dian)场(chang)方向(xiang)垂(chui)直于(yu)半(ban)导体表面(mian)的由栅极指向(xiang)衬(chen)底的电(dian)(dian)场(chang)。这个电(dian)(dian)场(chang)能排斥空穴(xue)而吸引电(dian)(dian)子(zi)。

排(pai)斥空(kong)穴：使栅极(ji)附近的(de)P型(xing)衬底中(zhong)的(de)空(kong)穴被排(pai)斥，剩下不能移动的(de)受主离(li)子(zi)(zi)(zi)(负离(li)子(zi)(zi)(zi))，形成耗尽层(ceng)。吸引电(dian)子(zi)(zi)(zi)：将 P型(xing)衬底中(zhong)的(de)电(dian)子(zi)(zi)(zi)（少子(zi)(zi)(zi)）被吸引到(dao)衬底表面。

（2）导电沟道的形成：

当vGS数(shu)值较(jiao)小，吸(xi)引电子(zi)(zi)的能力不(bu)强时(shi)，漏(lou)——源极(ji)之间仍(reng)无导(dao)(dao)电沟(gou)道(dao)(dao)出现，如图1(b)所示(shi)。vGS增加时(shi)，吸(xi)引到(dao)P衬(chen)(chen)底表面(mian)层的电子(zi)(zi)就(jiu)增多(duo)，当vGS达到(dao)某一数(shu)值时(shi)，这些电子(zi)(zi)在(zai)栅极(ji)附(fu)近(jin)的P衬(chen)(chen)底表面(mian)便形成一个N型(xing)薄(bo)层，且与两个N+区相(xiang)(xiang)连(lian)通，在(zai)漏(lou)——源极(ji)间形成N型(xing)导(dao)(dao)电沟(gou)道(dao)(dao)，其导(dao)(dao)电类型(xing)与P衬(chen)(chen)底相(xiang)(xiang)反，故又称为(wei)反型(xing)层，如图1(c)所示(shi)。vGS越(yue)(yue)(yue)大，作用于半导(dao)(dao)体表面(mian)的电场就(jiu)越(yue)(yue)(yue)强，吸(xi)引到(dao)P衬(chen)(chen)底表面(mian)的电子(zi)(zi)就(jiu)越(yue)(yue)(yue)多(duo)，导(dao)(dao)电沟(gou)道(dao)(dao)越(yue)(yue)(yue)厚，沟(gou)道(dao)(dao)电阻越(yue)(yue)(yue)小。

开(kai)始形成沟(gou)道时的栅——源极电压称为开(kai)启(qi)电压，用VT表示。

上(shang)面讨论的N沟(gou)道(dao)MOS管在vGS＜VT时(shi)，不能形成导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)，管子处于截止状态。只(zhi)有当(dang)vGS≥VT时(shi)，才有沟(gou)道(dao)形成。这种必(bi)须在vGS≥VT时(shi)才能形成导电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)的MOS管称为增强型MOS管。沟(gou)道(dao)形成以后，在漏(lou)(lou)——源(yuan)极间(jian)加上(shang)正向电(dian)(dian)压vDS，就有漏(lou)(lou)极电(dian)(dian)流(liu)产(chan)生。

vDS对(dui)iD的影(ying)响

如图(a)所示，当vGS>VT且为(wei)一确定值时，漏——源电(dian)(dian)压vDS对导(dao)电(dian)(dian)沟道及电(dian)(dian)流(liu)iD的影响与结型场(chang)效应管相(xiang)似。

漏极(ji)电(dian)流(liu)iD沿沟(gou)道(dao)产(chan)生的电(dian)压降使(shi)沟(gou)道(dao)内各点与栅极(ji)间的电(dian)压不再相等，靠(kao)近源极(ji)一端的电(dian)压最(zui)(zui)大，这里沟(gou)道(dao)最(zui)(zui)厚，而漏极(ji)一端电(dian)压最(zui)(zui)小，其值为VGD=vGS－vDS，因而这里沟(gou)道(dao)最(zui)(zui)薄。但(dan)当vDS较小（vDS）。

随着vDS的增(zeng)(zeng)大，靠近(jin)漏极的沟道(dao)越来越薄，当vDS增(zeng)(zeng)加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)时，沟道(dao)在漏极一端出现预(yu)夹(jia)断，如(ru)图2(b)所(suo)示(shi)。再继(ji)续增(zeng)(zeng)大vDS，夹(jia)断点将(jiang)向源极方向移动，如(ru)图2(c)所(suo)示(shi)。由于(yu)vDS的增(zeng)(zeng)加部分几(ji)乎(hu)全(quan)部降落(luo)在夹(jia)断区，故iD几(ji)乎(hu)不(bu)随vDS增(zeng)(zeng)大而增(zeng)(zeng)加，管子进入饱(bao)和区，iD几(ji)乎(hu)仅由vGS决定。

n沟道和p沟道图片-N沟道耗尽型MOS基本结构

mos管的结(jie)构(gou)(gou)图（N沟道耗尽型基本结(jie)构(gou)(gou)）

（1）结(jie)构：

N沟(gou)道耗(hao)尽型MOS管与N沟(gou)道增(zeng)强型MOS管基本(ben)相(xiang)似。

（2）区别：

耗(hao)尽型MOS管(guan)(guan)在vGS=0时(shi)，漏(lou)——源极间已有导电(dian)沟道产生，而(er)增强型MOS管(guan)(guan)要(yao)在vGS≥VT时(shi)才出(chu)现导电(dian)沟道。

（3）原因：

制(zhi)造N沟(gou)道耗尽型MOS管时(shi)，在SiO2绝缘层中掺入(ru)了大量的(de)碱金属正离子Na+或K+(制(zhi)造P沟(gou)道耗尽型MOS管时(shi)掺入(ru)负离子)，如图1(a)所示，因(yin)此即使vGS=0时(shi)，在这些正离子产生的(de)电(dian)场作用下(xia)，漏——源(yuan)极间的(de)P型衬底表面也能(neng)感应生成N沟(gou)道(称为初(chu)始(shi)沟(gou)道)，只要加上(shang)正向电(dian)压(ya)vDS，就(jiu)有电(dian)流iD。

如果加上正(zheng)的(de)vGS，栅(zha)极(ji)与N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)间的(de)电场(chang)将在沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)中(zhong)吸(xi)引来更多的(de)电子(zi)，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)加宽，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)电阻变(bian)(bian)小(xiao)，iD增大(da)。反之vGS为(wei)(wei)(wei)负时，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)中(zhong)感(gan)应的(de)电子(zi)减少，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)变(bian)(bian)窄，沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)电阻变(bian)(bian)大(da)，iD减小(xiao)。当vGS负向(xiang)增加到某(mou)一数(shu)值时，导(dao)电沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)消失，iD趋于零，管子(zi)截止，故称(cheng)(cheng)为(wei)(wei)(wei)耗尽型。沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)消失时的(de)栅(zha)－源电压称(cheng)(cheng)为(wei)(wei)(wei)夹断电压，仍用VP表示。与N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)结型场(chang)效应管相(xiang)同，N沟(gou)(gou)道(dao)(dao)(dao)(dao)耗尽型MOS管的(de)夹断电压VP也(ye)为(wei)(wei)(wei)负值，但是，前者只能在vGS<0的(de)情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。

P沟道耗尽型MOSFET

P沟道MOSFET的(de)工(gong)作原理(li)与N沟道MOSFET完(wan)全(quan)相同(tong)，只不(bu)过(guo)导电(dian)的(de)载流子不(bu)同(tong)，供(gong)电(dian)电(dian)压(ya)极性不(bu)同(tong)而已。这(zhei)如同(tong)双极型三极管有(you)NPN型和(he)PNP型一(yi)样。

n沟道和p沟道图片-两种最基本的MOS管

在实际项目中(zhong)，我们基(ji)本都用(yong)增强型mos管(guan)，分为N沟道和P沟道两(liang)种。

我们常(chang)用的是(shi)(shi)NMOS，因为其导(dao)通电阻(zu)小(xiao)，且容易制造(zao)。在(zai)MOS管(guan)(guan)(guan)原理图上可(ke)以看到，漏极(ji)(ji)(ji)和(he)源极(ji)(ji)(ji)之间有(you)一(yi)个(ge)寄生二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)。这个(ge)叫体二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)，在(zai)驱动(dong)感性负载（如马达），这个(ge)二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)很重(zhong)要。顺便说一(yi)句(ju)，体二(er)极(ji)(ji)(ji)管(guan)(guan)(guan)只在(zai)单个(ge)的MOS管(guan)(guan)(guan)中存(cun)在(zai)，在(zai)集成(cheng)电路芯(xin)片(pian)内(nei)部通常(chang)是(shi)(shi)没有(you)的。

1.导通特性

NMOS的(de)特(te)性(xing)，Vgs大于(yu)一(yi)定的(de)值(zhi)就(jiu)(jiu)会导通，适(shi)合用于(yu)源极(ji)接地时的(de)情况(kuang)（低端(duan)驱动），只(zhi)要栅极(ji)电压达到4V或10V就(jiu)(jiu)可以(yi)了。

PMOS的(de)特性，Vgs小于(yu)一(yi)定的(de)值就会导通，适合用(yong)于(yu)源极(ji)接VCC时(shi)的(de)情况(kuang)（高(gao)端驱动(dong)）。但是，虽然PMOS可(ke)以很方(fang)便地用(yong)作高(gao)端驱动(dong)，但由于(yu)导通电阻大，价格贵，替换种类(lei)少等原因，在高(gao)端驱动(dong)中，通常还(hai)是使(shi)用(yong)NMOS。

2.MOS开关管损失

不管(guan)是(shi)NMOS还是(shi)PMOS，导(dao)(dao)通(tong)(tong)后都有(you)(you)导(dao)(dao)通(tong)(tong)电阻存在(zai)，这样电流就会在(zai)这个电阻上消耗(hao)(hao)能(neng)量，这部分消耗(hao)(hao)的(de)能(neng)量叫做导(dao)(dao)通(tong)(tong)损耗(hao)(hao)。选择导(dao)(dao)通(tong)(tong)电阻小的(de)MOS管(guan)会减小导(dao)(dao)通(tong)(tong)损耗(hao)(hao)。现在(zai)的(de)小功(gong)率MOS管(guan)导(dao)(dao)通(tong)(tong)电阻一般在(zai)几十毫(hao)欧左右(you)，几毫(hao)欧的(de)也有(you)(you)。

MOS在(zai)导(dao)通和截止的(de)(de)(de)时候(hou)，一定(ding)不是(shi)在(zai)瞬间(jian)完成的(de)(de)(de)。MOS两端(duan)的(de)(de)(de)电压有一个下降的(de)(de)(de)过程(cheng)，流(liu)过的(de)(de)(de)电流(liu)有一个上升的(de)(de)(de)过程(cheng)，在(zai)这段时间(jian)内，MOS管(guan)的(de)(de)(de)损(sun)失(shi)(shi)是(shi)电压和电流(liu)的(de)(de)(de)乘积，叫做开(kai)(kai)关(guan)损(sun)失(shi)(shi)。通常开(kai)(kai)关(guan)损(sun)失(shi)(shi)比(bi)导(dao)通损(sun)失(shi)(shi)大得多，而且开(kai)(kai)关(guan)频率越高，损(sun)失(shi)(shi)也越大。

导(dao)通瞬间(jian)电(dian)压和电(dian)流的乘积很大，造成(cheng)的损失(shi)也就很大。缩短开(kai)关(guan)时间(jian)，可以(yi)减小(xiao)每次(ci)导(dao)通时的损失(shi)；降低开(kai)关(guan)频(pin)率，可以(yi)减小(xiao)单位时间(jian)内的开(kai)关(guan)次(ci)数。这两(liang)种办法都可以(yi)减小(xiao)开(kai)关(guan)损失(shi)。

3.MOS管驱动

跟双极性晶体管相比(bi)，一般认为使MOS管导通不(bu)需要(yao)电流，只要(yao)GS电压高于一定的值，就可(ke)以了(le)。这个很容易(yi)做到，但(dan)是，我(wo)们还需要(yao)速(su)度。

在MOS管(guan)的(de)结(jie)构中(zhong)可(ke)以看到，在GS，GD之间存在寄生电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)，而MOS管(guan)的(de)驱动，实际上就是(shi)对(dui)电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)充(chong)放(fang)电(dian)(dian)(dian)。对(dui)电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)的(de)充(chong)电(dian)(dian)(dian)需要(yao)(yao)一(yi)个电(dian)(dian)(dian)流(liu)，因(yin)为对(dui)电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)充(chong)电(dian)(dian)(dian)瞬间可(ke)以把电(dian)(dian)(dian)容(rong)(rong)看成短路，所以瞬间电(dian)(dian)(dian)流(liu)会比较大。选择/设计MOS管(guan)驱动时第(di)一(yi)要(yao)(yao)注意的(de)是(shi)可(ke)提(ti)供瞬间短路电(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)大小。

第二注(zhu)意的(de)(de)(de)是(shi)，普遍用于高端(duan)驱(qu)动的(de)(de)(de)NMOS，导(dao)通时需(xu)要(yao)是(shi)栅(zha)极(ji)电(dian)压(ya)大于源极(ji)电(dian)压(ya)。而高端(duan)驱(qu)动的(de)(de)(de)MOS管导(dao)通时源极(ji)电(dian)压(ya)与(yu)漏极(ji)电(dian)压(ya)（VCC）相同，所以这时栅(zha)极(ji)电(dian)压(ya)要(yao)比VCC大4V或10V。如果在(zai)同一(yi)个系统里，要(yao)得到比VCC大的(de)(de)(de)电(dian)压(ya)，就(jiu)要(yao)专门(men)的(de)(de)(de)升(sheng)压(ya)电(dian)路(lu)了。很(hen)多(duo)马达驱(qu)动器都(dou)集(ji)成了电(dian)荷泵，要(yao)注(zhu)意的(de)(de)(de)是(shi)应该选(xuan)择(ze)合(he)适的(de)(de)(de)外接(jie)电(dian)容，以得到足(zu)够的(de)(de)(de)短路(lu)电(dian)流去驱(qu)动MOS管。

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