干貨 | 這篇文章把MOS管的基礎知識講透了

什么是MOS管？

MOS管是一種具有絕緣柵的FET，其中電壓決定了器件的電導率。發明MOS管是為了克服FET中存在的缺點，如高漏極電阻、中等輸入阻抗和較慢的操作。所以MOS管可以稱為FET的高級形式。

MOS管常用于切換或放大信號。隨著施加的電壓量改變電導率的能力可用于放大或切換電子信號。

MOS管是迄今為止數字電路中最常見的晶體管，因為內存芯片或微處理器中可能包含數十萬或數百萬個晶體管。由于它們可以由 p 型或 n 型半導體制成，互補的 MOS 晶體管對可用于以CMOS邏輯的形式制造具有非常低功耗的開關電路。

在數字和模擬電路中，MOS管現在甚至比BJT更常見，下圖為MOS管的實物圖。

MOS管的電路符號

MOS管是一個四端器件，具有源極 (S)、漏極 (D) 和柵極端子 (G) 和體 (B) 端子。主體經常連接到源端子，將端子減少到三個。它通過改變電荷載流子（電子或空穴）流動的通道寬度來工作。

MOS管根據操作類型分為兩種類型：增強型MOS管和耗盡型MOS管。

增強型MOS管（E-MOS管）

當柵極端子上沒有電壓時，通道顯示最大電導。當柵極端子兩端的電壓為正或負時，溝道電導率降低。

耗盡型MOS管（D-MOS管）

當柵極端子上沒有電壓時，器件不導通。當柵極端子上有最大電壓時，器件顯示出增強的導電性。

增強型和耗盡型MOS管之間的主要區別

增強型和耗盡型MOS管之間的主要區別在于施加到 E-MOS管的柵極電壓應始終為正，并且它具有閾值電壓，高于該閾值電壓它會完全導通。

對于 D-MOS管，柵極電壓可以是正的也可以是負的，它永遠不會完全導通。另外，D-MOS管可以在增強和耗盡模式下工作，而 E-MOS管只能在增強模式下工作。

MOS管根據用于構造的材料進一步分類為n溝道和p通道。所以，一般來說，有 4 種不同類型的MOS管。

N 溝道耗盡型MOS管

P 溝道耗盡型MOS管

N 溝道增強型MOS管

P 溝道增強型MOS管

N 溝道MOS管

N 溝道MOS管稱為NMOS，用以下符號表示。

N 溝道MOS管符號圖

根據MOS管的內部結構，在耗盡型 MOS管 中，柵極 (G)、漏極 (D) 和源極 (S) 引腳是物理連接的，而在增強模式下它們是物理分離的，這就是為什么增強模式MOS管的符號出現損壞。

P 溝道MOS管

P溝道MOS管稱為PMOS，用以下符號表示。

P 溝道MOS管電路符號圖

在可用類型中，N 溝道增強型MOS管是最常用的MOS管。

N 溝道MOS管和 P通道MOS管之間的主要區別

N 溝道MOS管和 P溝道MOS管之間的主要區別在于，在 N 溝道中，MOS管開關將保持打開狀態，直到提供柵極電壓。當柵極引腳接收到電壓時，開關（漏極和源極之間）將關閉，在 P 溝道MOS管中，開關將保持關閉，直到提供柵極電壓。

MOS管的工作原理

MOS管的工作取決于MOS電容，它是源極和漏極之間的氧化層下方的半導體表面。只需分別施加正柵極電壓或負柵極電壓，即可將其從 p 型反轉為 n 型。

MOS管的主要原理是能夠控制源極和漏極之間的電壓和電流。它的工作原理幾乎就像一個開關，設備的功能基于 MOS 電容。MOS電容是MOS管的的主要部分。

MOS管的結構圖

當漏源電壓（VDS）連接在漏極和源極之間時，正電壓施加到漏極，負電壓施加到源極。在這里，漏極的 PN 結是反向偏置的，而源極的 PN 結是正向偏置的。在這個階段，漏極和源極之間不會有任何電流流動。

如果我們將正電壓 (VGG ) 施加到柵極端子，由于靜電引力，P襯底中的少數電荷載流子（電子）將開始積聚在柵極觸點上，從而在兩個 n+ 區域之間形成導電橋。

在柵極接觸處積累的自由電子的數量取決于施加的正電壓的強度。施加的電壓越高，由于電子積累而形成的 n 溝道寬度越大，這最終會增加電導率，并且漏極電流 (ID ) 將開始在源極和漏極之間流動。

當沒有電壓施加到柵極端子時，除了由于少數電荷載流子而產生的少量電流外，不會有任何電流流動。MOS管開始導通的最小電壓稱為閾值電壓。

N溝道MOS管的構造

以N 溝道 MOS管為例子來了解MOS管工作原理。取一個輕摻雜的P型襯底，其中擴散了兩個重摻雜的N型區域，作為源極和漏極。在這兩個 N+ 區域之間，發生擴散以形成 N 溝道，連接漏極和源極。

N溝道MOS管的構造圖

在整個表面上生長一層薄薄的二氧化硅 (SiO2 )，并制作孔以繪制用于漏極和源極端子的歐姆接觸。鋁的導電層覆蓋在整個通道上，在這個SiO2層上，從源極到漏極，構成柵極。SiO2襯底連接到公共或接地端子。

由于其結構，MOS管的芯片面積比 BJT 小得多，與雙極結型晶體管相比，其占用率僅為 5%。

N溝道MOS管（耗盡型）的工作原理

首先，我們認為在柵極和溝道之間不存在 PN 結。我們可以觀察到，擴散溝道N（兩個N+區域之間）、絕緣介質SiO2和柵極的鋁金屬層共同形成了一個平行板電容器。

如果 NMOS管必須工作在耗盡模式，則柵極端應為負電位，漏極為正電位，如下圖所示。

MOS管在耗盡模式下的工作原理圖

當柵極和源極之間沒有施加電壓時，由于漏極和源極之間的電壓，一些電流會流動。讓一些負電壓施加在VGG上。然后少數載流子即空穴被吸引并在SiO2層附近沉降。但是多數載流子，即電子被排斥。

在VGG處具有一定量的負電位時，一定量的漏極電流ID流過源極到漏極。當這個負電位進一步增加時，電子被耗盡，電流ID減小。因此，施加的VGG越負，漏極電流ID的值就越小。

靠近漏極的通道比源極（如 FET）消耗得更多，并且由于這種效應，電流會減少。

N溝道MOS管的工作原理（增強型）

如果我們可以改變電壓VGG的極性，相同的MOS管可以在增強模式下工作。因此，我們考慮柵極源極電壓VGG為正的MOS管，如下圖所示。

mos管在增強模式下工作原理圖

當柵極和源極之間沒有施加電壓時，由于漏極和源極之間的電壓，一些電流會流動。讓一些正電壓施加在VGG上。然后少數載流子即空穴被排斥而多數載流子即電子被吸引向SiO2層。

在VGG處具有一定量的正電位時，一定量的漏極電流ID流過源極到漏極。當該正電位進一步增加時，電流ID由于來自源極的電子流動而增加，并且由于施加在VGG的電壓而進一步推動這些電流。因此，施加的VGG越正，漏極電流ID的值就越大。由于電子流的增加比耗盡模式更好，電流得到增強。因此，這種模式被稱為增強模式MOS管。

P - 溝道 MOS管的構造（耗盡型）

PMOS管的構造和工作與 NMOS管相同。取一個輕摻雜的n-襯底，其中擴散了兩個重摻雜的P+區。這兩個 P+ 區域用作源極和漏極。在表面上生長一層薄薄的SiO2 。通過該層切割孔以與 P+ 區域接觸，如下圖所示。

P - 溝道 MOS管的構造圖

P溝道MOS管的工作原理

當柵極端子在VGG處被賦予比漏源電壓VDD負電位時，由于存在 P+ 區域，空穴電流通過擴散的 P 溝道增加，PMOS 工作在增強模式。

當柵極端子在VGG處被賦予比漏源電壓VDD的正電位時，由于排斥，發生耗盡，因此電流減少。因此 PMOS管在耗盡模式下工作。盡管結構不同，但兩種類型的 MOS管的工作原理是相似的。因此，隨著電壓極性的變化，這兩種類型都可以在兩種模式中使用。

MOS管的特性曲線

耗盡型MOS管的工作狀態
耗盡型 MOS管通常被稱為“開關導通”器件，因為它們通常在柵極端沒有偏置電壓時處于閉合狀態。當我們以正向增加施加到柵極的電壓時，溝道寬度將在耗盡模式下增加。這將增加通過溝道的漏極電流ID。如果施加的柵極電壓為負值，則溝道寬度會變小，MOS管可能會進入截止區。

耗盡型MOS管的特性曲線

耗盡型MOS管晶體管的VI 特性介于漏源電壓 (VDS ) 和漏電流 ( ID ) 之間。柵極端子處的少量電壓將控制流過通道的電流。在漏極和源極之間形成的溝道將充當良導體，在柵極端子處具有零偏置電壓。如果向柵極施加正電壓，則溝道寬度和漏極電流會增加，而當我們向柵極施加負電壓時，它們會減小。

耗盡型MOS管的特性曲線圖

增強型MOS管的工作狀態

MOS管在增強模式下的操作類似于打開開關的操作，只有在柵極端施加正電壓（+VGS）并且漏極電流開始流過器件時，它才會開始導通。當偏置電壓增加時，溝道寬度和漏極電流會增加。但是，如果施加的偏置電壓為零或負，則晶體管本身將保持在關閉狀態。

增強型 MOS管的特性曲線

增強型 MOS管的 VI 特性在漏極電流 (ID ) 和漏源電壓 (VDS )之間繪制。VI 特性分為三個不同的區域，即歐姆區、飽和區和截止區。截止區域是MOS管將處于關閉狀態的區域，其中施加的偏置電壓為零。當施加偏置電壓時，MOS管緩慢地向導通模式移動，并且在歐姆區發生電導率的緩慢增加。最后，飽和區是不斷施加正電壓且MOS管將保持導通狀態的區域。

增強型 MOS管的特性曲線圖

確保MOS管在承載選定漏極電流時保持“導通”所需的最小導通狀態，柵極電壓可以從上面的 VI 傳遞曲線確定。當VIN為高電平或等于VDD時，MOS管Q 點沿負載線移動到A點。

由于溝道電阻的減小，漏極電流ID增加到其最大值。ID成為獨立于VDD的常數值，并且僅取決于VGS。因此，晶體管的行為就像一個閉合的開關，但由于其RDS(on)值，通道導通電阻不會完全降低到零，而是變得非常小。

同樣，當VIN為低電平或降至零時，mos管Q點沿負載線從 A 點移動到 B 點。通道電阻非常高，因此晶體管就像開路一樣，沒有電流流過通道。

MOS管的工作區域

截止區域
截止區域是將處于關閉狀態并且零電流流過它的區域。在這里，該裝置起到基本開關的作用，并在需要它們作為電氣開關操作時使用。

這里MOS管的工作條件是：

零輸入柵極電壓 ( VIN )

零漏極電流ID

輸出電壓VDS = VDD。

因此，對于增強型MOS管，導電通道關閉，器件“關閉”。

截止特性

MOS管截止特性圖

輸入和柵極接地（0V）

柵源電壓低于閾值電壓VGS < VTH

MOS管為“OFF”（截止區域）

沒有漏極電流流動（ID = 0安培）

VOUT = VDS = VDD = “1”

MOS管作為“開路開關”運行

然后，當使用 e-MOS管作為開關時，我們可以將截止區域或“關閉模式”定義為柵極電壓，VGS < VTH因此ID = 0。對于 P 溝道增強型 MOSFET，柵極電位相對于源極必須更正。

飽和區域

飽和區器件的漏源電流值將保持不變，而不考慮漏源電壓的增強。當漏極到源極端子的電壓增加超過夾斷電壓值時，這種情況只會發生一次。在這種情況下，該器件用作閉合開關，其中飽和電流通過漏極到源極端流動。因此，當器件應該執行切換時選擇飽和區域。

飽和特性

mos管飽和特性圖

輸入和門連接到VDD

柵源電壓遠大于閾值電壓，VGS > VTH

mos管為“ON”（飽和區）

最大漏極電流 ( ID = VDD / RL )

VDS = 0V（理想飽和度）

最小通道電阻RDS(on) < 0.1Ω

由于RDS(on) ， VOUT = VDS ? 0.2V

MOS管作為低電阻“閉合開關”運行

然后，當使用 e-MOS管作為開關作為柵源電壓時，我們可以定義飽和區域或“導通模式”，VGS > VTH。因此ID = 最大值。對于 P 溝道增強型MOS管，柵極電位相對于源極必須更負。

通過向柵極施加合適的驅動電壓，漏源通道的電阻RDS(on)可以從數百kΩ（實際上是開路）的“關斷電阻”變化到“導通電阻”小于1Ω，有效地起到短路作用。

當使用MOS管作為開關時，我們可以驅動MOS管更快或更慢地“導通”，或者通過高電流或低電流。這種將功率MOS管“打開”和“關閉”的能力允許該器件用作非常高效的開關，其開關速度比標準雙極結型晶體管快得多。

線性/歐姆區域

漏極到源極端子的電流隨著漏極到源極路徑上的電壓的增加而增強的區域。當 MOS管件該線性區域內工作時，執行放大器功能。

MOS管的封裝

MOS管最常用的封裝是 To-220。MOS管有不同的封裝、尺寸和名稱，可用于不同類型的應用。通常，MOS管以 4 種不同的封裝形式交付，即表面貼裝、通孔、PQFN和 DirectFET。

MOS管在每種封裝中都有不同的名稱，如下所示：

表面貼裝：TO-263、TO-252、MO-187、SO-8、SOT-223、SOT-23、TSOP-6等。

通孔：TO-262、TO-251、TO-274、TO-220、TO-247等。

PQFN：PQFN 2x2、PQFN 3x3、PQFN 3.3x3.3、PQFN 5x4、PQFN 5x6等。

DirectFET：DirectFET M4、DirectFET MA、DirectFET MD、DirectFET ME、DirectFET S1、DirectFET SH等。

以上就是關于MOS管的基礎知識，由于時間有限，加上內容比較多，關于MOS管的具體應用，特性參數，檢測好壞等會在之后進行講解。

審核編輯：湯梓紅