mos器件的工作原理-细说MOS管构造 特性及电压极性和符号规则

什么是MOS管？

mos器(qi)件的工作(zuo)原(yuan)理是(shi)什(shen)么？MOS管(guan)是(shi)什(shen)么？MOS管(guan)全称金(jin)属(shu)—氧(yang)化物—半导体(ti)场(chang)效应(ying)(ying)晶体(ti)管(guan)或称金(jin)属(shu)—绝缘(yuan)(yuan)体(ti)—半导体(ti)场(chang)效应(ying)(ying)晶体(ti)管(guan)，英文名metal oxide semiconductor，属(shu)于场(chang)效应(ying)(ying)管(guan)中的绝缘(yuan)(yuan)栅型，因此(ci)，MOS管(guan)有时候又称为绝缘(yuan)(yuan)栅场(chang)效应(ying)(ying)管(guan)。

mos器件的工作原理

mos器件(jian)的工作原(yuan)理，从上图一(yi)可以看出增强型(xing)MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。

当栅-源电(dian)压VGS=0时，即使加上漏(lou)-源电(dian)压VDS，总有一个PN结处于反偏状态(tai)，漏(lou)-源极间没(mei)有导电(dian)沟道（没(mei)有电(dian)流(liu)流(liu)过），所(suo)以这时漏(lou)极电(dian)流(liu)ID=0。

此时若在栅(zha)(zha)-源(yuan)极(ji)(ji)(ji)间(jian)加(jia)上(shang)正(zheng)向(xiang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)，图二所(suo)(suo)示，即VGS＞0，则(ze)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)和硅(gui)衬(chen)底之间(jian)的(de)(de)(de)SiO2绝(jue)缘层(ceng)中便产生(sheng)一个(ge)(ge)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)指向(xiang)P型(xing)硅(gui)衬(chen)底的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)，由(you)于氧化物层(ceng)是(shi)绝(jue)缘的(de)(de)(de)，栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)所(suo)(suo)加(jia)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)VGS无(wu)法形(xing)成电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，氧化物层(ceng)的(de)(de)(de)两边就形(xing)成了(le)一个(ge)(ge)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容，VGS等效是(shi)对这(zhei)(zhei)个(ge)(ge)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容充电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，并形(xing)成一个(ge)(ge)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)，随着VGS逐渐(jian)升高，受栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)正(zheng)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)(de)(de)吸引(yin)，在这(zhei)(zhei)个(ge)(ge)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容的(de)(de)(de)另一边就聚集(ji)大(da)量的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子并形(xing)成了(le)一个(ge)(ge)从漏极(ji)(ji)(ji)到源(yuan)极(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)N型(xing)导电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)沟道(dao)(dao)，当VGS大(da)于管子的(de)(de)(de)开启电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)VT（一般约为(wei) 2V）时，N沟道(dao)(dao)管开始(shi)导通，形(xing)成漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)ID，我们把(ba)开始(shi)形(xing)成沟道(dao)(dao)时的(de)(de)(de)栅(zha)(zha)-源(yuan)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)称为(wei)开启电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)，一般用(yong)VT表示。控(kong)制(zhi)栅(zha)(zha)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)VGS的(de)(de)(de)大(da)小改(gai)变了(le)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)的(de)(de)(de)强弱，就可以(yi)(yi)达到控(kong)制(zhi)漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)ID的(de)(de)(de)大(da)小的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)，这(zhei)(zhei)也(ye)是(shi)MOS管用(yong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)场(chang)来(lai)控(kong)制(zhi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)一个(ge)(ge)重要特(te)点，所(suo)(suo)以(yi)(yi)也(ye)称之为(wei)场(chang)效应管。

MOS管构造

讲(jiang)了mos器件的(de)(de)(de)(de)工(gong)作原理(li)后，现在(zai)(zai)(zai)来了解(jie)一下(xia)MOS管(guan)的(de)(de)(de)(de)构造。在(zai)(zai)(zai)一块(kuai)掺(chan)杂浓(nong)度(du)较低的(de)(de)(de)(de)P型(xing)半(ban)(ban)导体(ti)硅衬底上(shang)，用半(ban)(ban)导体(ti)光刻、扩散工(gong)艺制作两(liang)个高掺(chan)杂浓(nong)度(du)的(de)(de)(de)(de)N+区，并用金属铝引出(chu)两(liang)个电(dian)极(ji)，分别作为漏(lou)极(ji)D和源极(ji)S。然(ran)后在(zai)(zai)(zai)漏(lou)极(ji)和源极(ji)之间的(de)(de)(de)(de)P型(xing)半(ban)(ban)导体(ti)表(biao)面复盖(gai)一层很薄的(de)(de)(de)(de)二氧化硅(Si02)绝(jue)(jue)缘层膜，在(zai)(zai)(zai)再这个绝(jue)(jue)缘层膜上(shang)装(zhuang)上(shang)一个铝电(dian)极(ji)，作为栅(zha)极(ji)G。这就(jiu)构成了一个N沟(gou)道(NPN型(xing))增强型(xing)MOS管(guan)。显然(ran)它(ta)的(de)(de)(de)(de)栅(zha)极(ji)和其它(ta)电(dian)极(ji)间是(shi)绝(jue)(jue)缘的(de)(de)(de)(de)。图2所(suo)示(shi) A 、B分别是(shi)它(ta)的(de)(de)(de)(de)结构图和代表(biao)符号。

同(tong)样用上(shang)述(shu)相(xiang)同(tong)的(de)方(fang)法在一块(kuai)掺(chan)杂(za)浓度(du)较低(di)的(de)N型(xing)半导体硅(gui)衬底(di)上(shang)，用半导体光刻、扩散工(gong)艺(yi)制(zhi)作两个高掺(chan)杂(za)浓度(du)的(de)P+区，及(ji)上(shang)述(shu)相(xiang)同(tong)的(de)栅极制(zhi)作过(guo)程，就制(zhi)成(cheng)为一个P沟道(dao)(PNP型(xing))增强(qiang)型(xing)MOS管。下(xia)图(tu)所示(shi)分别是N沟道(dao)和P沟道(dao)MOS管道(dao)结构图(tu)和代表符号。

图2

MOS管的特性

上(shang)述(shu)mos器件的(de)工作原理中(zhong)可以(yi)看出(chu)，MOS管的(de)栅(zha)极(ji)G和源极(ji)S之(zhi)间是(shi)绝缘(yuan)(yuan)的(de)，由于Sio2绝缘(yuan)(yuan)层的(de)存(cun)在(zai)，在(zai)栅(zha)极(ji)G和源极(ji)S之(zhi)间等效是(shi)一个(ge)电(dian)(dian)容(rong)存(cun)在(zai)，电(dian)(dian)压(ya)VGS产生电(dian)(dian)场从而导致源极(ji)-漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)的(de)产生。此时的(de)栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)压(ya)VGS决定了漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)的(de)大(da)小，控制栅(zha)极(ji)电(dian)(dian)压(ya)VGS的(de)大(da)小就(jiu)可以(yi)控制漏(lou)极(ji)电(dian)(dian)流(liu)ID的(de)大(da)小。这就(jiu)可以(yi)得出(chu)如下结论：

1) MOS管(guan)是(shi)一个由改变电压来控(kong)制(zhi)电流的器件，所以(yi)是(shi)电压器件。

2) MOS管道输入(ru)特性(xing)(xing)为容性(xing)(xing)特性(xing)(xing)，所以输入(ru)阻抗(kang)极高(gao)。

MOS管的电压极性和符号规则

上图是(shi)N沟(gou)道(dao)MOS管(guan)的(de)(de)符号，图中(zhong)D是(shi)漏极，S是(shi)源极，G是(shi)栅极，中(zhong)间的(de)(de)箭(jian)(jian)头表(biao)示衬底(di)，如果箭(jian)(jian)头向(xiang)里表(biao)示是(shi)N沟(gou)道(dao)的(de)(de)MOS管(guan)，箭(jian)(jian)头向(xiang)外表(biao)示是(shi)P沟(gou)道(dao)的(de)(de)MOS管(guan)。

在(zai)实际MOS管生产的(de)(de)过程中(zhong)衬底在(zai)出厂前就和源极(ji)连接(jie)，所以在(zai)符号的(de)(de)规则中(zhong);表示衬底的(de)(de)箭(jian)头(tou)也必须和源极(ji)相连接(jie)，以区别漏极(ji)和源极(ji)。

P沟道MOS管的符号

MOS管(guan)应(ying)用电(dian)压的极(ji)性和(he)我们普通的晶体三极(ji)管(guan)相同，N沟道的类似NPN晶体三极(ji)管(guan)，漏极(ji)D接正极(ji)，源(yuan)极(ji)S接负(fu)极(ji)，栅极(ji)G正电(dian)压时导电(dian)沟道建立，N沟道MOS管(guan)开始工作(zuo)。

同(tong)样(yang)P道的类似PNP晶体三(san)极(ji)管，漏极(ji)D接负(fu)极(ji)，源极(ji)S接正极(ji)，栅极(ji)G负(fu)电(dian)压时(shi)，导电(dian)沟道建立(li)，P沟道MOS管开始工作。

MOS管和晶体三极管相比的重要特性

1) 场效应管的源(yuan)极(ji)(ji)(ji)S、栅(zha)极(ji)(ji)(ji)G、漏极(ji)(ji)(ji)D分别对应于三极(ji)(ji)(ji)管的发射极(ji)(ji)(ji)e、基(ji)极(ji)(ji)(ji)b、集(ji)电极(ji)(ji)(ji)c，它(ta)们(men)的作用相似。

2) 场效(xiao)应管(guan)是(shi)电(dian)(dian)压控制电(dian)(dian)流(liu)器件(jian)，由(you)VGS控制ID，普通(tong)的晶体三(san)极(ji)(ji)(ji)管(guan)是(shi)电(dian)(dian)流(liu)控制电(dian)(dian)流(liu)器件(jian)，由(you)IB控制IC。MOS管(guan)道放大系(xi)数(shu)(shu)是(shi)(跨(kua)导gm)当栅(zha)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)压改变(bian)一(yi)伏时能引起(qi)漏极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流(liu)变(bian)化多(duo)少(shao)安培。晶体三(san)极(ji)(ji)(ji)管(guan)是(shi)电(dian)(dian)流(liu)放大系(xi)数(shu)(shu)(贝塔β)当基极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流(liu)改变(bian)一(yi)毫安时能引起(qi)集电(dian)(dian)极(ji)(ji)(ji)电(dian)(dian)流(liu)变(bian)化多(duo)少(shao)。

3) 场效(xiao)应(ying)管栅极(ji)(ji)和其它电极(ji)(ji)是绝缘的，不(bu)产生(sheng)电流;而三极(ji)(ji)管工作时基极(ji)(ji)电流IB决定集(ji)电极(ji)(ji)电流IC。因此(ci)场效(xiao)应(ying)管的输入电阻比三极(ji)(ji)管的输入电阻高的多。

4) 场效应(ying)管(guan)只有多(duo)数载流(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)参与(yu)导(dao)电;三极管(guan)有多(duo)数载流(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)和少数载流(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)两种(zhong)载流(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)参与(yu)导(dao)电，因少数载流(liu)(liu)子(zi)(zi)(zi)浓度(du)受温度(du)、辐(fu)射等因素影响较大，所以场效应(ying)管(guan)比(bi)三极管(guan)的温度(du)稳定性好。

5) 场(chang)效应管在源极(ji)(ji)(ji)未与衬底(di)连(lian)在一起时，源极(ji)(ji)(ji)和漏极(ji)(ji)(ji)可(ke)以互换使用(yong)，且特性变(bian)化不大，而三极(ji)(ji)(ji)管的集电极(ji)(ji)(ji)与发射极(ji)(ji)(ji)互换使用(yong)时，其特性差(cha)异很(hen)大，b 值将减(jian)小很(hen)多。

6) 场效应管的噪声系数很小，在低噪声放(fang)大电路的输入级及要(yao)(yao)求信噪比(bi)较高的电路中要(yao)(yao)选用场效应管。

7) 场效(xiao)应(ying)管和普(pu)通晶(jing)体(ti)三极管均可(ke)组成(cheng)各(ge)种(zhong)放大电(dian)路和开关电(dian)路，但是场效(xiao)应(ying)管制造工艺(yi)简单，并且又具有普(pu)通晶(jing)体(ti)三极管不能(neng)比拟的(de)优(you)秀特(te)性，在各(ge)种(zhong)电(dian)路及(ji)应(ying)用中正逐(zhu)步(bu)的(de)取代普(pu)通晶(jing)体(ti)三极管，目前的(de)大规(gui)模和超大规(gui)模集成(cheng)电(dian)路中，已(yi)经(jing)广泛的(de)采(cai)用场效(xiao)应(ying)管。

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