詳解MOS管的分類、特性及工作原理

MOS管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）是一種利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制其電流大小的半導(dǎo)體三端器件，很多特性和應(yīng)用方向都與三極管類似。這種器件不僅體積小、質(zhì)量輕、耗電省、壽命長(zhǎng)、而且還具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛，特別是在大規(guī)模的集成電路中。

MOS管結(jié)構(gòu)和分類

根據(jù)導(dǎo)電溝道的不同，MOS管可分為N溝道和P溝道兩類，每一類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種。所以MOS管可分為四大類：N溝道消耗型、N溝道增強(qiáng)型、P溝道消耗型、 P溝道增強(qiáng)型。現(xiàn)在以N溝道器件為例來(lái)介紹一下MOS管的工作原理。

如上圖所示，N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)示意圖。它以低摻雜的P型硅材料作襯底，在上面制造兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，分別引出兩個(gè)電極，作為源極s和漏極d，在P型襯底的表面覆蓋一層很薄的氧化膜（二氧化硅）絕緣層，并引出電極作為柵極g。這種場(chǎng)效應(yīng)管的柵極g和P型半導(dǎo)體襯底、漏極d及源極s之間都是絕緣的，所以也稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。

MOS管工作原理

MOS管的基本工作原理是利用柵源電壓去控制漏極電流，但漏極和源極之間不存在原始導(dǎo)電溝道，所以工作時(shí)還需要先建立。

①建立導(dǎo)電溝道

如圖所示，當(dāng)外加正向的柵源電壓VGS>0時(shí)，在柵極下方的氧化層上出現(xiàn)上正下負(fù)的電場(chǎng)，該電場(chǎng)將吸引P區(qū)中的自由電子，使其在氧化層下方聚集，同時(shí)會(huì)排斥P區(qū)中的空穴，使之離開(kāi)該區(qū)域。VGS越大電場(chǎng)強(qiáng)度越大，這種效果越明顯。當(dāng)VGS達(dá)到VT時(shí)，該區(qū)域聚集的自由電子濃度足夠大，而形成一個(gè)新的N型區(qū)域，像一座橋梁把漏極和源極連接起來(lái)。該區(qū)域就稱為N型導(dǎo)電溝道，簡(jiǎn)稱N溝道，而Vt就稱為開(kāi)啟電壓，VGS>VT是建立該導(dǎo)電溝道的必備條件。

②建立漏極電流

當(dāng)溝道建立之后，如果漏極之間存在一定的驅(qū)動(dòng)電壓VDS。當(dāng)漏極電壓VDS出現(xiàn)之后，漏極電位高于源極，故VGS>VGD，所以造成氧化層上的電場(chǎng)分布不均勻，靠近源極強(qiáng)度大，靠近漏極強(qiáng)度弱，相應(yīng)的導(dǎo)電溝道也就隨之變化：靠近源極處寬，靠近漏極處窄。

所以，MOS管的漏極電流Id主要受電壓VGS和VDS的影響，前者通過(guò)控制導(dǎo)電溝道來(lái)影響Id，后者直接作為驅(qū)動(dòng)來(lái)影響Id。但需要再次強(qiáng)調(diào)，如果導(dǎo)電溝道沒(méi)有建立的話，只有VDS，漏極電流是不會(huì)出現(xiàn)的。

MOS管主要特性

①高輸入阻抗：MOS管柵電極和源漏區(qū)之間有絕緣層，只有微弱的柵電流，所以MOS管的輸入阻抗很高，接近于無(wú)窮大。

②低輸出阻抗：由于MOS管是電壓控制器件，其源漏間電流可隨輸入電壓的改變而改變，所以其輸出阻抗很小。

③恒流性：MOS管在飽和區(qū)工作時(shí)，即使源漏電壓有所變化，其電流也幾乎不變，因此MOS管具有很好的恒流性。

MOS管常用參數(shù)

Vgs：柵源極最大驅(qū)動(dòng)電壓，MOS管的一個(gè)極限參數(shù)，表示MOS管所能承受的最大驅(qū)動(dòng)電壓。一旦驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)這個(gè)極限值，會(huì)對(duì)MOS管的柵極氧化層造成永久性傷害。

VDS：漏源電壓，表示MOS管漏極與源極之間能夠承受的最大電壓值。該參數(shù)與結(jié)溫有關(guān)系，通常結(jié)溫越高，VDS值最大。

RDS(on)：漏源導(dǎo)通電阻，是MOS管充分導(dǎo)通時(shí)漏-源極之間的等效電阻。該參數(shù)與結(jié)溫和驅(qū)動(dòng)電壓Vgs相關(guān)。在一定范圍內(nèi)，結(jié)溫越高，Rds越大；驅(qū)動(dòng)電壓越高，Rds越小。

MOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)下的阻抗。導(dǎo)通阻抗越大，開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)的損耗越大。因此，要盡量減小MOS管的導(dǎo)通阻抗。

導(dǎo)通時(shí)的功耗：

Qg：柵極電荷，是在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下，柵極電壓從0V上升至終止電壓所需的充電電荷。也就是MOS管從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路所需提供的電荷，是一個(gè)用于評(píng)估MOS管的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力的主要參數(shù)。

Id：漏極電流，它表示當(dāng)殼溫處于某值時(shí)，如果MOS管工作電流為上述最大漏極電流，則結(jié)溫會(huì)達(dá)到最大值。該參數(shù)還與器件封裝和環(huán)境溫度有關(guān)。

Eoss：輸出電容能量，表示輸出電容Coss在MOS管存儲(chǔ)的能量大小。

根據(jù)MOS管的工作原理和特性，不難發(fā)現(xiàn)，它與三極管特性極其相似，都可以作為放大器件使用，如構(gòu)成反向放大器、電壓跟隨器和電流跟隨器等，兩種器件構(gòu)成的放大電路各有優(yōu)點(diǎn)，MOS管放大電路輸入阻抗高、噪聲低、三極管放大電路放大能力強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用中常常都是把兩者結(jié)合使用。