利盈娱乐(中国)创新平台有限公司

MOS管的工作原理及表示符号

根据导(dao)通沟(gou)道(dao)的载流子性质MOS管(guan)(guan)(guan)可分为NMOS管(guan)(guan)(guan)（即(ji)N沟(gou)道(dao)MOS管(guan)(guan)(guan)）与PMOS管(guan)(guan)(guan)（即(ji)P沟(gou)道(dao)MOS管(guan)(guan)(guan)）。NMOS管(guan)(guan)(guan)是指其(qi)(qi)导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)中的导(dao)电(dian)(dian)电(dian)(dian)荷为电(dian)(dian)子，而PMOS管(guan)(guan)(guan)则是指其(qi)(qi)导(dao)电(dian)(dian)沟(gou)道(dao)中的导(dao)电(dian)(dian)电(dian)(dian)荷为空穴。

根(gen)据沟(gou)道(dao)的导(dao)通条件（MOS管(guan)的栅／源电压(ya)VGS为(wei)0时是否存在导(dao)通沟(gou)道(dao)）MOS管(guan)又可分为(wei)增(zeng)强(qiang)型MOS管(guan)与(yu)耗尽型MOS管(guan)两类：增(zeng)强(qiang)型MOS管(guan)足指在MOS管(guan)的栅/源电压(ya)VGS为(wei)0时没有导(dao)电沟(gou)道(dao)，而必须依(yi)靠栅／源电压(ya)的作用，才能形成感生沟(gou)道(dao)的MOS管(guan)；耗尽型

MOS管(guan)(guan)(guan)则(ze)是指(zhi)即使(shi)在MOS管(guan)(guan)(guan)栅(zha)／源(yuan)电(dian)压VGS为0时也(ye)存在导电(dian)沟道的MOS管(guan)(guan)(guan)。这两类MOS管(guan)(guan)(guan)的基(ji)本(ben)工(gong)作原(yuan)理一致(zhi)，都是利用(yong)栅(zha)／源(yuan)电(dian)压的大小来改(gai)变半导体表面感生电(dian)荷的多(duo)少，从(cong)而控制漏极电(dian)流的大小。所以MOS管(guan)(guan)(guan)可以分为四类：增强型(xing)(xing)NMOS管(guan)(guan)(guan)、耗尽型(xing)(xing)NMOS管(guan)(guan)(guan)、增强型(xing)(xing)PMOS管(guan)(guan)(guan)及(ji)耗尽型(xing)(xing)PMOS管(guan)(guan)(guan)。

下(xia)面以增强(qiang)型(xing)NMOS管(guan)(guan)与(yu)耗尽型(xing)NMOS管(guan)(guan)为例说明MOS管(guan)(guan)的(de)工作原(yuan)理。

1．增强型NMOS管的工作原理

 当(dang) NMOS管(guan)(guan)的(de)(de)(de)栅(zha)(zha)极(ji)与源极(ji)短(duan)接(jie)（即NMOS管(guan)(guan)的(de)(de)(de)栅(zha)(zha)／源电压(ya)VGS=O）时(shi)，源区（N+型）、衬(chen)(chen)底（P型）和(he)漏(lou)区（N+型）形(xing)成两(liang)个背靠(kao)背的(de)(de)(de)PN结，不(bu)管(guan)(guan)NMOS管(guan)(guan)的(de)(de)(de)漏(lou)／源电压(ya)VDS的(de)(de)(de)极(ji)性如(ru)何，其(qi)中总有一(yi)个PN结是(shi)反(fan)(fan)偏的(de)(de)(de)，所以NMOS管(guan)(guan)源极(ji)与漏(lou)极(ji)之间(jian)的(de)(de)(de)电阻(zu)(zu)主要为PN结的(de)(de)(de)反(fan)(fan)偏电阻(zu)(zu)，基(ji)本无电流(liu)流(liu)过(guo)，即NMOS管(guan)(guan)的(de)(de)(de)漏(lou)极(ji)电流(liu)ID为0。例(li)如(ru)，如(ru)果NMOS管(guan)(guan)的(de)(de)(de)源极(ji)s与衬(chen)(chen)底相连(lian)，并接(jie)到(dao)系统的(de)(de)(de)最低(di)电位，而漏(lou)极(ji)接(jie)电源正极(ji)时(shi)，漏(lou)极(ji)和(he)衬(chen)(chen)底之间(jian)的(de)(de)(de)PN结是(shi)反(fan)(fan)偏的(de)(de)(de)，此时(shi)漏(lou)／源之间(jian)的(de)(de)(de)电阻(zu)(zu)很大，没有形(xing)成导电沟道。

若在NMOS管的栅／源之间加l正向电压VGS（即NMOS管的栅极接高电位，源极接低电位），则栅极和P型衬底之间就形成了以栅氧（即二氧化硅）为介质的平板电容器。在正的栅／源电压作用下，介质中产生了一个垂直于硅片表面的由栅极指向P型衬底的强电场（由于绝缘层很薄，即使只有几伏的栅／源电压VGS，也可产生高达lO5-lO6V/cm数量的强电场），这个强电场会排斥衬底表面的空穴而吸引电子，因此，使NMOS管栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，留下不能移动的受主离子（负离子），形成了耗尽层，同时P型衬底中的少子（电子）被吸引P衬底表面，如图1.3(a)所示。当正的栅／源电压达到一定数值时，这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层，通常把这个在P型硅表面形成的N型薄层称为反型层，这个反型层实际上就构成厂源极和漏极间的N型导电沟道，如图1.3(b)所示。由于它是栅／源正电压感应产生的，所以也称感生沟道。显然，栅／源电压VGS正得越多，则作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P型硅表面的电子就越多，感应沟道（反型层）将越厚，沟道电阻将越小。
感应(ying)沟道形(xing)成(cheng)后，原(yuan)来被(bei)P型衬底隔(ge)开(kai)(kai)的(de)(de)两个N+型区(qu)（源(yuan)(yuan)(yuan)区(qu)和漏(lou)(lou)区(qu)）就(jiu)通过(guo)感应(ying)沟道连接生一起(qi)。因此，在(zai)正的(de)(de)漏(lou)(lou)／源(yuan)(yuan)(yuan)电压作用下(xia)，电子将从源(yuan)(yuan)(yuan)区(qu)流向漏(lou)(lou)区(qu)，产生了漏(lou)(lou)极电流ID。一般把生漏(lou)(lou)/源(yuan)(yuan)(yuan)电压作用下(xia)开(kai)(kai)始导电时的(de)(de)栅/源(yuan)(yuan)(yuan)电压叫做NMOS管(guan)阈值电压（或开(kai)(kai)启电压）Vth。

当NMOS管的(de)(de)栅(zha)／源(yuan)电压VGS大丁等(deng)于Vth时，外加较小的(de)(de)漏／源(yuan)电压VDS时，漏极(ji)电流ID将随VDS上升迅速增大，此时为线性区(qu)(qu)（也可称为三极(ji)管区(qu)(qu)），但由(you)于沟(gou)道(dao)存在(zai)电位(wei)梯度(du)，即NMOS管的(de)(de)栅(zha)极(ji)与沟(gou)道(dao)间的(de)(de)电位(wei)差(cha)从漏极(ji)到源(yuan)极(ji)逐步增大，凶(xiong)此所形成(cheng)的(de)(de)沟(gou)道(dao)厚度(du)是(shi)不均(jun)匀(yun)的(de)(de)，靠(kao)(kao)近源(yuan)端的(de)(de)沟(gou)道(dao)厚，而靠(kao)(kao)近漏端的(de)(de)沟(gou)道(dao)薄。

当VDS增大到一定数值，即VGD=Vth时，靠近漏端的沟道厚度接近为0，即感应沟道在漏端被夹断，如图1.3(c)所示；VDS继续增加，将形成一夹断区，且夹断点向源极靠近，如图1.3(d)所示。沟道被夹断后，VDS上升时，其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上，而沟道两端的电压保持不变，所以ID趋于饱和而不再增加，此时NMOS管工作在饱和区，在模拟集成电路中饱和区是NMOS管的主要工作区。要注意，此时沟道虽产生了灾断，但由于漏极与沟道之间存在强电场，电子在该电场作用下被吸收到漏区而形成了从源区到漏区的电流。

另外，当VGS增(zeng)加时，由于感应(ying)沟道变厚，沟道电阻减小，饱和漏极(ji)电流会(hui)相应(ying)增(zeng)大。

若VDS大于某一击穿(chuan)电压BVDS（二极(ji)(ji)(ji)管的反向击穿(chuan)电压），漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)与衬底之间的PN结发生反向击穿(chuan)，ID将急剧(ju)增加，进入雪崩区，漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)电流(liu)不(bu)经过沟道，而(er)直接(jie)由漏(lou)(lou)极(ji)(ji)(ji)流(liu)入衬底。

注意与双极(ji)型晶体管相比，一个MOS管只要形成(cheng)了导(dao)电(dian)沟(gou)道，即使在(zai)无电(dian)流(liu)流(liu)过时也可以(yi)认为(wei)是开通的。

2．耗尽型NMOS管的工作原理

耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)NMOS管(guan)的(de)(de)几何结构与增强型(xing)(xing)相(xiang)同。但在(zai)制造时(shi)，在(zai)二氧(yang)化硅绝(jue)缘(yuan)(yuan)层中掺入大量的(de)(de)正离(li)子，根据电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)感(gan)(gan)(gan)应原理，即使(shi)在(zai)VGS=O时(shi)，由(you)于(yu)正离(li)子的(de)(de)作(zuo)用(yong)，在(zai)源(yuan)(yuan)区(qu)和漏(lou)(lou)区(qu)之(zhi)间(jian)的(de)(de)P型(xing)(xing)衬底上感(gan)(gan)(gan)应出较多的(de)(de)负(fu)(fu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)（电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子），形成N型(xing)(xing)沟道(dao)(dao)，因(yin)此即使(shi)栅(zha)／源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)为零(ling)时(shi)，在(zai)正的(de)(de)VDS作(zuo)用(yong)下，也存(cun)在(zai)较大的(de)(de)漏(lou)(lou)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)ID。如果所加(jia)的(de)(de)栅(zha)／源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)VGS为负(fu)(fu)，则(ze)会(hui)使(shi)沟道(dao)(dao)中感(gan)(gan)(gan)应的(de)(de)负(fu)(fu)，U荷(he)减(jian)(jian)少(shao)，从而使(shi)漏(lou)(lou)极(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)减(jian)(jian)小，所以称(cheng)为耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)NMOS管(guan)，当(dang)栅(zha)／源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)胀r。s更负(fu)(fu)时(shi)，则(ze)会(hui)使(shi)之(zhi)不能感(gan)(gan)(gan)应出负(fu)(fu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，因(yin)而不能形成感(gan)(gan)(gan)应沟道(dao)(dao)，此时(shi)的(de)(de)栅(zha)／源(yuan)(yuan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)VGS称(cheng)为耗(hao)尽(jin)型(xing)(xing)NMOS管(guan)的(de)(de)关(guan)断电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)。当(dang)VGS>O时(shi)，由(you)于(yu)绝(jue)缘(yuan)(yuan)层的(de)(de)存(cun)在(zai)，在(zai)沟道(dao)(dao)中感(gan)(gan)(gan)应出更多的(de)(de)负(fu)(fu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)荷(he)，在(zai)VDS作(zuo)用(yong)下，将(jiang)形成更人的(de)(de)漏(lou)(lou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)ID。

对(dui)于增强型PMOS管(guan)(guan)与耗尽(jin)(jin)型PMOS管(guan)(guan)的工作原现与N沟道(dao)MOS管(guan)(guan)相(xiang)类似，不同之处在(zai)于：它(ta)所形(xing)成(cheng)的是P沟道(dao)，且增强型PMOS管(guan)(guan)的阈(yu)值电(dian)(dian)压为(wei)负值，以便(bian)感应出(chu)正电(dian)(dian)荷，形(xing)成(cheng)P沟道(dao)；耗尽(jin)(jin)型PMOS管(guan)(guan)的关断电(dian)(dian)压为(wei)正值。

由以上分析可知，与(yu)双极型晶体管(guan)不(bu)同，MOS管(guan)中参(can)与(yu)导电(dian)(dian)的只(zhi)有一种(zhong)电(dian)(dian)荷，即NMOS管(guan)参(can)与(yu)导电(dian)(dian)的是电(dian)(dian)子(zi)，而PMOS管(guan)参(can)与(yu)导电(dian)(dian)的是空八。MOS管(guan)的工(gong)作状态(tai)根据漏(lou)极电(dian)(dian)流的变(bian)化可大约分为三种(zhong)情(qing)况，即截止区(qu)（ID为o）、线性区(qu)（ID随VDS几乎线性变(bian)化）、饱和区(qu)(ID与(yu)VDS基本无关，保(bao)持不(bu)变(bian))。

3．MOS管表示符号

NMOS管与(yu)PMOS管有很多种代表符(fu)(fu)号(hao)，但最具典型的符(fu)(fu)号(hao)如图1.4所示。图1·4(a)表示为四端器(qi)件(jian)，建议(yi)在(zai)模拟集成电路(lu)采(cai)用此类表示符(fu)(fu)号(hao)。

在大部分电(dian)路中，NMOS管(guan)与PMOS管(guan)的(de)衬底(di)端一般分别接(jie)到地(di)与电(dian)源，所以可用三(san)端器(qi)件[如图1.4(b)所示]，即在集成电(dian)路中如采(cai)用图1.4(b)所示的(de)符号，则(ze)表示NMOS管(guan)与PMOS管(guan)的(de)衬底(di)分别默(mo)认(ren)为接(jie)地(di)与接(jie)电(dian)源。

另外，在NMOS路中，也常(chang)用如图1.4(c)所(suo)示(shi)的开关符号来描(miao)述。图1.4(d)所(suo)示(shi)的符号为耗尽型NMOS管和PMOS管。

联系方式：邹先生

联系电话(hua)：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联(lian)系(xi)地(di)址：深(shen)圳市福田区车公庙天(tian)安数码(ma)城天(tian)吉大厦CD座(zuo)5C1

关(guan)注KIA半导体工(gong)程专(zhuan)辑请(qing)搜微(wei)信(xin)号:“KIA半导体”或(huo)点击本文下方图片扫一扫进(jin)入官方微(wei)信(xin)“关(guan)注”

长按(an)二维码识(shi)别关注