MOS管結(jié)構(gòu)原理分析,就是這么簡(jiǎn)單

MOS管結(jié)構(gòu)原理

MOS管又稱場(chǎng)效應(yīng)管，即在集成電路中絕緣性場(chǎng)效應(yīng)管。MOS英文全稱為Metal-Oxide-Semiconductor即金屬-氧化物-半導(dǎo)體，確切的說(shuō)，這個(gè)名字描述了集成電路中MOS管的結(jié)構(gòu)，即：在一定結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件上，加上二氧化硅和金屬，形成柵極。

MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的，都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能,這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。

雙極型晶體管把輸入端電流的微小變化放大后，在輸出端輸出一個(gè)大的電流變化。雙極型晶體管的增益就定義為輸出輸入電流之比（beta）。另一種晶體管，叫做場(chǎng)效應(yīng)管（FET），把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。

FET的增益等于它的transconductance， 定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。市面上常有的一般為N溝道和P溝道，詳情參考右側(cè)圖片（N溝道耗盡型MOS管）。而P溝道常見(jiàn)的為低壓mos管。

場(chǎng)效應(yīng)管通過(guò)投影一個(gè)電場(chǎng)在一個(gè)絕緣層上來(lái)影響流過(guò)晶體管的電流。事實(shí)上沒(méi)有電流流過(guò)這個(gè)絕緣體，所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化硅來(lái)作為GATE極下的絕緣體。

這種晶體管稱為金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管，或，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。因?yàn)镸OS管更小更省電，所以他們已經(jīng)在很多應(yīng)用場(chǎng)合取代了雙極型晶體管。

MOS管結(jié)構(gòu)原理圖解

MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示;其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子(多子)參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷β蔒OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻，該管導(dǎo)通時(shí)在兩個(gè)高濃度n擴(kuò)散區(qū)間形成n型導(dǎo)電溝道。

n溝道增強(qiáng)型MOS管必須在柵極上施加正向偏壓，且只有柵源電壓大于閾值電壓時(shí)才有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加?xùn)艍?柵源電壓為零)時(shí)，就有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。

1、結(jié)構(gòu)和符號(hào)（以N溝道增強(qiáng)型為例）

在一塊濃度較低的P型硅上擴(kuò)散兩個(gè)濃度較高的N型區(qū)作為漏極和源極，半導(dǎo)體表面覆蓋二氧化硅絕緣層并引出一個(gè)電極作為柵極。

2、工作原理

MOS管的工作原理(以N溝道增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管)它是利用VGS來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。

在制造管子時(shí)，通過(guò)工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。

當(dāng)柵極電壓改變時(shí)，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

（以N溝道增強(qiáng)型為例）

（1）VGS=0時(shí)，不管VDS極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)反偏，所以不存在導(dǎo)電溝道。

VGS=0，ID=0

VGS必須大于0

管子才能工作。

（2）VGS≥0時(shí)，在Sio2介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)，排斥P區(qū)多子空穴而吸引少子電子。當(dāng)VGS達(dá)到一定值時(shí)P區(qū)表面將形成反型層把兩側(cè)的N區(qū)溝通，形成導(dǎo)電溝道。

VGS≥0→g吸引電子→反型層→導(dǎo)電溝道

VGS↑→反型層變厚→VDS↑→ID↑

（3）VGS≥VT時(shí)而VDS較小時(shí)：VDS↑→ID↑

T：開(kāi)啟電壓，在VDS作用下開(kāi)始導(dǎo)電時(shí)的VGS°；VT=VGS—VDS

（4）VGS》0且VDS增大到一定值后，靠近漏極的溝道被夾斷，形成夾斷區(qū)。VDS↑→ID不變

MOS管結(jié)構(gòu)原理：優(yōu)勢(shì)

1.可應(yīng)用于放大。由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。

2.很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。

3.可以用作可變電阻。

4.可以方便地用作恒流源。

5.可以用作電子開(kāi)關(guān)。

6.在電路設(shè)計(jì)上的靈活性大。柵偏壓可正可負(fù)可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負(fù)偏壓下工作。另外輸入阻抗高，可以減輕信號(hào)源負(fù)載，易于跟前級(jí)匹配。

MOS管（場(chǎng)效應(yīng)管）的應(yīng)用領(lǐng)域

1.工業(yè)領(lǐng)域、步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鉆工具、工業(yè)開(kāi)關(guān)電源

2.新能源領(lǐng)域、光伏逆變、充電樁、無(wú)人機(jī)

3.交通運(yùn)輸領(lǐng)域、車載逆變器、汽車HID安定器、電動(dòng)自行車

4.綠色照明領(lǐng)域、CCFL節(jié)能燈、LED照明電源、金鹵燈鎮(zhèn)流器

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