MOS管類型-MOS管類型作用及工作原理解析

MOS管，即金屬（Metal）—氧化物（Oxide）—半導體（Semiconductor）場效應晶體管，是一種應用場效應原理工作的半導體器件；和普通雙極型晶體管相比，MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、動態范圍大、功耗小、易于集成等優勢，在開關電源、鎮流器、高頻感應加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領域得到了越來越普遍的應用。

MOS管的類型及結構

MOS管是FET的一種（另一種為JFET結型場效應管），主要有兩種結構形式：N溝道型和P溝道型；又根據場效應原理的不同，分為耗盡型（當柵壓為零時有較大漏極電流）和增強型（當柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流）兩種。因此，MOS管可以被制構成P溝道增強型、P溝道耗盡型、N溝道增強型、N溝道耗盡型4種類型產品。

圖表1  MOS管的4種類型

每一個MOS管都提供有三個電極：Gate柵極（表示為“G”）、Source源極（表示為“S”）、Drain漏極（表示為“D”）。接線時，對于N溝道的電源輸入為D，輸出為S；P溝道的電源輸入為S，輸出為D；且增強型、耗盡型的接法基本一樣。

圖表2  MOS管內部結構圖

從結構圖可發現，N溝道型場效應管的源極和漏極接在N型半導體上，而P溝道型場效應管的源極和漏極則接在P型半導體上。場效應管輸出電流由輸入的電壓（或稱場電壓）控制，其輸入的電流極小或沒有電流輸入，使得該器件有很高的輸入阻抗，這也是MOS管被稱為場效應管的重要原因。

MOS管工作原理

一、N溝道增強型場效應管原理

N溝道增強型MOS管在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區，從N型區引出電極（漏極D、源極S）；在源極和漏極之間的SiO2絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G；P型半導體稱為襯底，用符號B表示。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以NMOS又被稱為絕緣柵型場效應管。

當柵極G和源極S之間不加任何電壓，即VGS=0時，由于漏極和源極兩個N+型區之間隔有P型襯底，相當于兩個背靠背連接的PN結，它們之間的電阻高達1012Ω，即D、S之間不具備導電的溝道，所以無論在漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會產生漏極電流ID。

圖表3  N溝道增強型MOS管結構示意圖

當將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即VGS＞0時，如圖表3（a）所示，則在柵極與襯底之間產生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復合，形成了一層耗盡層。

如果進一步提高VGS電壓，使VGS達到某一電壓VT時，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如圖表3（b）所示。

反型層將漏極D和源極S兩個N+型區相連通，構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的VGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用VGS（th）表示。顯然，只有VGS＞VGS（th）時才有溝道，而且VGS越大，溝道越厚，溝道的導通電阻越小，導電能力越強；“增強型”一詞也由此得來。

圖表4  耗盡層與反型層產生的結構示意圖

在VGS＞VGS（th）的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓VDS，導電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區流向源區，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區到源區逐漸減小，靠近漏區一端的電壓VGD最小，其值為VGD=VGS－VDS，相應的溝道最薄；靠近源區一端的電壓最大，等于VGS，相應的溝道最厚。

這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區一端的溝道越來越薄。

當VDS增大到某一臨界值，使VGD≤VGS（th）時，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預夾斷”，如圖表4（a）所示。繼續增大VDS[即VDS＞VGS－VGS（th）]，夾斷點向源極方向移動，如圖表4（b）所示。

盡管夾斷點在移動，但溝道區（源極S到夾斷點）的電壓降保持不變，仍等于VGS－VGS（th）。因此，VDS多余部分電壓[VDS－（VGS－VGS（th））]全部降到夾斷區上，在夾斷區內形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區，當電子到達夾斷區邊緣時，受夾斷區強電場的作用，會很快的漂移到漏極。

圖表5  預夾斷及夾斷區形成示意圖

二、P溝道增強型場效應管原理

P溝道增強型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過光刻、擴散的方法或其他手段，在N型襯底（基片）上制作出兩個摻雜的P區，分別引出電極（源極S和漏極D），同時在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬柵極G。其結構和工作原理與N溝道MOS管類似；只是使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反。

在正常工作時，P溝道增強型MOS管的襯底必須與源極相連，而漏極對源極的電壓VDS應為負值，以保證兩個P區與襯底之間的PN結均為反偏，同時為了在襯底頂表面附近形成導電溝道，柵極對源極的電壓也應為負。

圖表6  P溝道增強型MOS管的結構示意圖

當VDS=0時。在柵源之間加負電壓比，由于絕緣層的存在，故沒有電流，但是金屬柵極被補充電而聚集負電荷，N型半導體中的多子電子被負電荷排斥向體內運動，表面留下帶正電的離子，形成耗盡層。

隨著G、S間負電壓的增加，耗盡層加寬，當VDS增大到一定值時，襯底中的空穴（少子）被柵極中的負電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個P型薄層，稱反型層，如圖表6（2）所示。

這個反型層就構成漏源之間的導電溝道，這時的VGS稱為開啟電壓VGS（th），達到VGS（th）后再增加，襯底表面感應的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用VGS的大小控制導電溝道的寬度。

圖表7  P溝道增強型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖

當VDS≠0時。導電溝道形成以后，D、S間加負向電壓時，那么在源極與漏極之間將有漏極電流ID流通，而且ID隨VDS而增，ID沿溝道產生的壓降使溝道上各點與柵極間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中負電荷電場的作用，使溝道從漏極到源極逐漸變窄，如圖表7（1）所示。

當VDS增大到使VGD=VGS（即VDS=VGS-VGS（TH）），溝道在漏極附近出現預夾斷，如圖表7（2）所示。再繼續增大VDS，夾斷區只是稍有加長，而溝道電流基本上保持預夾斷時的數值，其原因是當出現預夾斷時再繼續增大VDS，VDS的多余部分就全部加在漏極附近的夾斷區上，故形成的漏極電流ID近似與VDS無關。

圖表8  P溝道增強型MOS管預夾斷及夾斷區形成示意圖

三、N溝道耗盡型場效應管原理

N溝道耗盡型MOS管的結構與增強型MOS管結構類似，只有一點不同，就是N溝道耗盡型MOS管在柵極電壓VGS=0時，溝道已經存在。這是因為N溝道是在制造過程中采用離子注入法預先在D、S之間襯底的表面、柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，該溝道亦稱為初始溝道。

當VGS＝0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道，所以只要有漏源電壓，就有漏極電流存在；當VGS＞0時，將使ID進一步增加；VGS＜0時，隨著VGS的減小，漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對應ID＝0的VGS稱為夾斷電壓或閾值電壓，用符號VGS（off）或Up表示。

由于耗盡型MOSFET在VGS=0時，漏源之間的溝道已經存在，所以只要加上VDS，就有ID流通。如果增加正向柵壓VGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應更多的電子，溝道變厚，溝道的電導增大。

如果在柵極加負電壓（即VGS＜0），就會在相對應的襯底表面感應出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產生一個耗盡層，使溝道變窄，溝道電導減小。當負柵壓增大到某一電壓VGS（off）時，耗盡區擴展到整個溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時即使VDS仍存在，也不會產生漏極電流，即ID=0。

圖表9  N溝道耗盡型MOS管結構（左）及轉移特性（右）示意圖

四、P溝道耗盡型場效應管原理

P溝道耗盡型MOS管的工作原理與N溝道耗盡型MOS管完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性也不同。

五、耗盡型與增強型MOS管的區別

耗盡型與增強型的主要區別在于耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時有導電溝道存在，而增強型MOS管只有在開啟后，才會出現導電溝道；兩者的控制方式也不一樣，耗盡型MOS管的VGS（柵極電壓）可以用正、零、負電壓控制導通，而增強型MOS管必須使得VGS>VGS（th）（柵極閾值電壓）才行。

由于耗盡型N溝道MOS管在SiO2絕緣層中摻有大量的Na+或K+正離子（制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子），當VGS=0時，這些正離子產生的電場能在P型襯底中感應出足夠的電子，形成N型導電溝道；當VGS>0時，將產生較大的ID（漏極電流）；如果使VGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。

這些特性使得耗盡型MOS管在實際應用中，當設備開機時可能會誤觸發MOS管，導致整機失效；不易被控制，使得其應用極少。

因此，日常我們看到的NMOS、PMOS多為增強型MOS管；其中，PMOS可以很方便地用作高端驅動。不過PMOS由于存在導通電阻大、價格貴、替換種類少等問題，在高端驅動中，通常還是使用NMOS替代，這也是市面上無論是應用還是產品種類，增強型NMOS管最為常見的重要原因，尤其在開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS管。

（一）MOS管重要特性

1、導通特性

導通的意義是作為開關，相當于開關閉合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就會導通，適用于源極接地時的情況（低端驅動），只需柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就會導通，適用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。

2、損失特性

不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，電流就會被電阻消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。小功率MOS管導通電阻一般在幾毫歐至幾十毫歐左右，選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。

MOS管在進行導通和截止時，兩端的電壓有一個降落過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，這稱之為開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。

導通瞬間電壓和電流的乘積越大，構成的損失也就越大。縮短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

3、寄生電容驅動特性

跟雙極性晶體管相比，MOS管需要GS電壓高于一定的值才能導通，而且還要求較快的導通速度。在MOS管的結構中可以看到，在GS、GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，理論上就是對電容的充放電。

對電容的充電需要一個電流，由于對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一個要留意的是可提供瞬間短路電流的大小；第二個要留意的是，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要柵極電壓大于源極電壓。

而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極導通電壓要比VCC高4V或10V，而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。

圖表10  4種MOS管特性比較示意圖

4、寄生二極管

漏極和源極之間有一個寄生二極管，即“體二極管”，在驅動感性負載（如馬達、繼電器）應用中，主要用于保護回路。不過體二極管只在單個MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒有的。

圖表11  寄生二極管位置示意圖

5、不同耐壓MOS管特點

不同耐壓的MOS管，其導通電阻中各部分電阻比例分布不同。如耐壓30V的MOS管，其外延層電阻僅為總導通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。

不同耐壓MOS管的區別主要在于，耐高壓的MOS管其反應速度比耐低壓的MOS管要慢，因此，它們的特性在實際應用中也表現出了不一樣之處，如耐中低壓MOS管只需要極低的柵極電荷就可以滿足強大電流和大功率處理能力，除開關速度快之外，還具有開關損耗低的特點，特別適應PWM輸出模式應用；而耐高壓MOS管具有輸入阻抗高的特性，在電子鎮流器、電子變壓器、開關電源方面應用較多。

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