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MOS管学习

news 2025/9/2 6:02:20

一、MOS管的结构和工作原理

下图为NMOS 管的结构：

在P型半导体衬底上面,制作两个高掺杂浓度的N型区,形成MOS管的源极S(Source)和漏极 D(Drain)。第三个电极称为栅极G(Gate),通常用金属铝或多晶硅制作。栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔开,绝缘层的厚度极薄,在0.1μm以内。

如果在漏极和源极之间加上电压Vds,而令栅极和源极之间的电压Vgs=0，则由于漏极和源极之间相当于两个PN结背向地串联,所以D - S 间不导通，电流Id=0。

在 Vgs 电压大于门限电压 Vth 时，也就是栅极相对衬底带正电，它会将 P 型衬底中的少子（电子）吸引到 P 型衬底上面，形成一个 N 型的反型层，也就是导电沟道。

从上图可以看到，S 和 D 本身是 N 型半导体，有很多自由电子，S 和 D 之间也有很多电子，也可以导电。也就是说，S 和 D 之间，是连通的，到处都有自由电子，可以移动。因此，我们给 S 和 D 之间加上电压，就会有电流Id产生。而且不管电压的方向如何，只要有电压，就能形成电流，只是电流方向不一样。

Vgs(th)称为MOS管的开启电压，因为导电沟道属于N型，而且在Vgs=0时不存在导电沟道,必须加以足够高的栅极电压才有导电沟道形成，所以将这种类型的MOS管称为N沟道增强型MOS管。

随着Vgs的升高,导电沟道的截面积也将加大,增加。因此,可以通过改变Vgs控制电流Id的大小。

为防止有电流从衬底流向源极和导电沟道,通常将衬底与源极相连,或将衬底接到系统的最低电位上。

二、MOS管的输入特性和输出特性

若以栅极-源极间的回路为输入回路,以漏极-源极间的回路为输出回路，则称为共源接法。如下图：

由之前的图1可见，栅极和衬底间被二氧化硅绝缘层所隔离,在栅极和源极间加上电压Vgs以后,不会有栅极电流流通,可以认为栅极电流等于零。

图5是共源极接法下的输出特性曲线。这个曲线又称为MOS管的漏极特性曲线。

漏极特性曲线分为三个工作区。

当 Vgs < Vgs(th)时,漏极和源极之间没有导电沟道,电流Id≈0。这时 D - S 间的内阻非常大,可达10*e9Ω以上。因此,将曲线上Vgs < Vgs(th)的区域称为截止区。
图5所示漏极特性上虚线左边的区域称为可变电阻区。在这个区域里,当Vgs一定时,电流Id与Vds之比近似地等于一个常数,具有类似于线性电阻的性质。等效电阻的大小和”cs的数值有关。
图5所示漏极特性上虚线以右的区域称为恒流区。恒流区里漏极电流i的大小基本上由电流Id决定,Vds的变化对电流Id的影响很小。

三、MOS管的四种类型

1、N沟道增强型

上面提及的MOS管属于N沟道增强型。这种类型的MOS管采用P型衬底,导电沟道是N型。在 Vgs = 0 时没有导电沟道,开启电压
Vgs(th)为正。工作时使用正电源,同时应将衬底接源极或者接到系统的最低电位上。

在图2给出的符号中，用 D - S 间断开的线段表示Vgs=0时没有导电沟道,即MOS管为增强型。衬底B上的箭头指向MOS管内部,表示导电沟道为N型。栅极引出端画在靠近源极一侧。

2、P沟道增强型

图6是P沟道增强型MOS管的结构示意图和符号。它采用N型衬底，导电沟道为P型。Vgs=0时不存在导电沟道,只有在栅极上加以足够大的负电压时,才能把N型衬底中的少数载流子——空穴吸引到栅极下面的衬底表面形成P型的导电沟道。因此,P沟道增强型MOS管的开启电压Vgs(th)为负值。这种MOS管工作时使用负电源,同时需将衬底接源极或接至系统的最高电位上。

图7是P沟道增强型MOS管的漏极特性。用P沟道增强型MOS管接成的开关电路如图8所示。当v1=0时,MOS管不导通,输出为低电平Vol。只要 Rd远小于 MOS 管的截止内阻 Roff,则 Vol ≈ -Vdd。

当v1 < Vgs(th) 时,MOS 管导通,输出为高电平 Voh。只要 Rd 远大于 MOS 管的导通内阻 Ron,则 Voh ≈ 0。

3、N 沟道耗尽型

N沟道耗尽型MOS管的结构形式与N沟道增强型MOS管的相同,都采用P型衬底,导电沟道为N型。所不同的是在耗尽型MOS管中,栅极下面的二氧化硅绝缘层中掺进了一定浓度的正离子。这些正离子所形成的电场足以将衬底中的少数载流子——电子吸引到栅极
下面的衬底表面,在 D - S 间形成导电沟道。因此,在Vgs=0时就已经有导电沟道存在了。Vgs为正时导电沟道变宽,电流Id增大;Vgs为负时导电沟道变窄，电流Id减小。直到Vgs小于某一个负电压值
Vgs(off)时,导电沟道才消失,MOS 管截止。Vgs(off)称为N沟道耗尽型MOS管的夹断电压。

图9是N沟道耗尽型MOS管的符号。图中 D - S 间是连通的,表示Vgs=0时已有导电沟道存在。其余部分的画法和增强型 MOS 管相同。

在正常工作时,N沟道耗尽型MOS管的衬底同样应接至源极或系统的最低电位上。

4、P沟道耗尽型

P沟道耗尽型MOS管与P沟道增强型MOS管的结构形式相同,也是N型衬底,导电沟道为P型。所不同的是在P沟道耗尽型MOS管中,Vgs=0时已经有导电沟道存在了。当Vgs为负时导电沟道进一步加宽,电流Id的绝对值增加;而Vgs为正时导电沟道变窄,电流Id的绝对值减小。当Vgs的正电压大于夹断电压Vgs(off)时,导电沟道消失,管子截止。

图10是P沟道耗尽型MOS管的符号。工作时应将它的衬底和源极相连,或将衬底接至系统的最高电位上。