mos器件的工作原理-細說MOS管構造-特性和電壓極性和符號規則

什么是MOS管？

mos器件的工作原理是什么？MOS管是什么？MOS管全稱金屬—氧化物—半導體場效應晶體管或稱金屬—絕緣體—半導體場效應晶體管，英文名metal oxide semiconductor，屬于場效應管中的絕緣柵型，因此，MOS管有時候又稱為絕緣柵場效應管。

mos器件的工作原理

mos器件的工作原理，從上圖一可以看出增強型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結。

當柵-源電壓VGS=0時，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個PN結處于反偏狀態，漏-源極間沒有導電溝道（沒有電流流過），所以這時漏極電流ID=0。

此時若在柵-源極間加上正向電壓，圖二所示，即VGS＞0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產生一個柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個電容，VGS等效是對這個電容充電，并形成一個電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個從漏極到源極的N型導電溝道，當VGS大于管子的開啟電壓VT（一般約為 2V）時，N溝道管開始導通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示。控制柵極電壓VGS的大小改變了電場的強弱，就可以達到控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個重要特點，所以也稱之為場效應管。

MOS管構造

講了mos器件的工作原理后，現在來了解一下MOS管的構造。在一塊摻雜濃度較低的P型半導體硅襯底上，用半導體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導體表面復蓋一層很薄的二氧化硅(Si02)絕緣層膜，在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極，作為柵極G。這就構成了一個N溝道(NPN型)增強型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。圖2所示 A 、B分別是它的結構圖和代表符號。

同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導體硅襯底上，用半導體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的P+區，及上述相同的柵極制作過程，就制成為一個P溝道(PNP型)增強型MOS管。下圖所示分別是N溝道和P溝道MOS管道結構圖和代表符號。

圖2

MOS管的特性

上述mos器件的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于Sio2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個電容存在，電壓VGS產生電場從而導致源極-漏極電流的產生。此時的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。這就可以得出如下結論：

1) MOS管是一個由改變電壓來控制電流的器件，所以是電壓器件。

2) MOS管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。

MOS管的電壓極性和符號規則

上圖是N溝道MOS管的符號，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。

在實際MOS管生產的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號的規則中;表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區別漏極和源極。

P溝道MOS管的符號

MOS管應用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負極，柵極G正電壓時導電溝道建立，N溝道MOS管開始工作。

同樣P道的類似PNP晶體三極管，漏極D接負極，源極S接正極，柵極G負電壓時，導電溝道建立，P溝道MOS管開始工作。

MOS管和晶體三極管相比的重要特性

1) 場效應管的源極S、柵極G、漏極D分別對應于三極管的發射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似。

2) 場效應管是電壓控制電流器件，由VGS控制ID，普通的晶體三極管是電流控制電流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系數是(跨導gm)當柵極電壓改變一伏時能引起漏極電流變化多少安培。晶體三極管是電流放大系數(貝塔β)當基極電流改變一毫安時能引起集電極電流變化多少。

3) 場效應管柵極和其它電極是絕緣的，不產生電流;而三極管工作時基極電流IB決定集電極電流IC。因此場效應管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高的多。

4) 場效應管只有多數載流子參與導電;三極管有多數載流子和少數載流子兩種載流子參與導電，因少數載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場效應管比三極管的溫度穩定性好。

5) 場效應管在源極未與襯底連在一起時，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大，而三極管的集電極與發射極互換使用時，其特性差異很大，b 值將減小很多。

6) 場效應管的噪聲系數很小，在低噪聲放大電路的輸入級及要求信噪比較高的電路中要選用場效應管。

7) 場效應管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開關電路，但是場效應管制造工藝簡單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優秀特性，在各種電路及應用中正逐步的取代普通晶體三極管，目前的大規模和超大規模集成電路中，已經廣泛的采用場效應管。

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