MOS場(chǎng)效應(yīng)管工作原理詳細(xì)解析 - 壹芯微

MOS場(chǎng)效應(yīng)管作為半導(dǎo)體行業(yè)最基礎(chǔ)的電子元器件之一，在電子線路中，MOS管一般被用以功率放大電路或開關(guān)電源電路而被廣泛運(yùn)用。下面就有關(guān)于MOS管工作原理為您詳細(xì)解讀，來(lái)進(jìn)行MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。

何為MOS管

MOS管有的時(shí)候也稱作絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，因?yàn)樗鼩w屬于場(chǎng)效應(yīng)管中的絕緣柵型，全名是金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或稱金屬—絕緣體—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，英文名為metaloxidesemiconductor(MOSFET).是1種能夠普遍應(yīng)用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管。依據(jù)其“通道”（工作載流子）的極性差異，可分成“N型”與“P型”的兩個(gè)類型，也就是常說(shuō)的NMOS、PMOS。

一文讀懂MOS管工作原理

微碩MOS管

MOS管工作原理

MOS管根據(jù)工作方式又可以劃分增強(qiáng)型和耗盡型，增強(qiáng)型指的是MOS管并沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，并沒(méi)有導(dǎo)電溝道，耗盡型則指的是MOS管并沒(méi)有加偏置電壓時(shí)，就會(huì)有導(dǎo)電溝道出現(xiàn)。在實(shí)際的運(yùn)用中，也只有N溝道增強(qiáng)型和P溝道增強(qiáng)型的MOS管，鑒于NMOS管導(dǎo)通內(nèi)阻小，且易于生產(chǎn)制造，因此在實(shí)際的運(yùn)用中NMOS要比PMOS要更常見(jiàn)些。

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增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S兩者之間有兩個(gè)背對(duì)背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時(shí)，即便再加上漏-源電壓VDS，總有個(gè)PN結(jié)處在反偏的狀態(tài)，漏-源極間并沒(méi)有導(dǎo)電溝道（并沒(méi)有電流流過(guò)），因此這時(shí)候漏極電流ID=0。

這時(shí)若在柵-源極間再加正向電壓，即VGS＞0，則柵極和硅襯底兩者之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生1個(gè)柵極對(duì)準(zhǔn)P型硅襯底的電場(chǎng)，因?yàn)檠趸飳邮墙^緣性的，柵極所加電壓VGS不能產(chǎn)生電流，氧化物層的兩側(cè)就產(chǎn)生了1個(gè)電容，VGS等效電路是對(duì)這一個(gè)電容（電容器）充電，并產(chǎn)生1個(gè)電場(chǎng)，伴隨著VGS慢慢上升，受柵極正電壓的吸引，在這個(gè)電容（電容器）的另一側(cè)就集聚大量的電子并產(chǎn)生了1個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS超過(guò)管子的開啟電壓VT（一般約為2V）時(shí)，N溝道管剛開始導(dǎo)通，產(chǎn)生漏極電流ID，我們把剛開始產(chǎn)生溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示。操控柵極電壓VGS的大小轉(zhuǎn)變了電場(chǎng)的強(qiáng)與弱，就可以實(shí)現(xiàn)操控漏極電流ID的大小的效果，這也是MOS管用電場(chǎng)來(lái)操控電流的1個(gè)重要特點(diǎn)，因此也將之稱為場(chǎng)效應(yīng)管。

MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在一片夾雜濃度值較低的P型硅襯底上，制做倆個(gè)高夾雜濃度值的N+區(qū)，并且用金屬鋁引出來(lái)倆個(gè)電極，各自作漏極d和源極s。隨后在半導(dǎo)體表層覆蓋一層極薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,當(dāng)做柵極g。在襯底上也引出來(lái)一個(gè)電極B，這就形成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。P溝道增強(qiáng)型的MOS管內(nèi)部形成也是同樣的道理。

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MOS管的電路符號(hào)

上圖為MOS管的電路符號(hào)，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是 P溝道的MOS管。

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MOS管的電路符號(hào)

實(shí)際上在MOS管生產(chǎn)制造的環(huán)節(jié)中襯底在出廠前就和源極相互連接，故而在符號(hào)的準(zhǔn)則中，代表襯底的箭頭符號(hào)也務(wù)必和源極相互連接，以區(qū)分漏極和源極。MOS管運(yùn)用電壓的極性與我們傳統(tǒng)的晶體三極管相似，N溝道類似于NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負(fù)極，柵極G正電壓時(shí)導(dǎo)電溝道形成，N溝道MOS管則開始工作。相同地，P道的類似于PNP晶體三極管，漏極D接負(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時(shí)，導(dǎo)電溝道形成，P溝道MOS管開始工作。

MOS管開關(guān)損耗原理

無(wú)論是NMOS或是PMOS，導(dǎo)通后均有導(dǎo)通內(nèi)阻產(chǎn)生，這樣一來(lái)電流便會(huì)在這個(gè)內(nèi)阻上消耗能量，這一部分消耗的能量稱作導(dǎo)通消耗。選取導(dǎo)通內(nèi)阻小的MOS管會(huì)有效降低導(dǎo)通消耗。目前的小功率MOS管導(dǎo)通內(nèi)阻一般而言在幾十毫歐左右，幾毫歐的也是有。

MOS在導(dǎo)通和終止的時(shí)候，必定不是在一瞬間實(shí)現(xiàn)的。MOS兩邊的電壓會(huì)有一個(gè)有效降低的環(huán)節(jié)，流經(jīng)的電流會(huì)有一個(gè)上升的環(huán)節(jié)，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損耗是電壓和電流的乘積，也就是開關(guān)損耗。一般而言開關(guān)損耗比導(dǎo)通損耗大上許多，并且開關(guān)頻率越快，損耗也越大。

MOS管開關(guān)損耗原理圖

導(dǎo)通的瞬間電壓和電流的乘積很大，導(dǎo)致的損耗也就很大。通過(guò)兩種方式可以降低開關(guān)損耗，一是縮減開關(guān)時(shí)間，能夠有效降低每回導(dǎo)通時(shí)的損耗;二是降低開關(guān)頻率，能夠減少單位時(shí)間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。

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