MOS管原理

本文MOS管的原理说明以 增强型NMOS 为例。了解MOS管的工作原理,能够让我们能更好的运用MOS管,而不是死记怎么用。为了理解 MOS管的基本原理,首先要知道更基础的 N 型半导体 和 ...

本文MOS管的原理说明以 增强型NMOS 为例。
了解MOS管的工作原理,能够让我们能更好的运用MOS管,而不是死记怎么用。
为了理解 MOS管的基本原理,首先要知道更基础的 N 型半导体 和 P 型半导体。
N 型半导体
N 型半导体也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。
P型半导体
P型半导体又称空穴型半导体,是以带正电的空穴导电为主的半导体。在P型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,主要靠空穴导电。 掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高。
3.1 MOS管的制造
MOS管是怎么制造的
以P型半导体为衬底,在一个 低掺杂容度 的 P 型半导体上,通过扩散技术做出来2块 高掺杂容度 的 N 型半导体,引出去分别作为 源级(S) 和 漏极(D)。 P型衬底在 MOS管内部是和 源级(S)相连。 在P型衬底和两个N型半导体 之间加一层 二氧化硅(SiO₂)绝缘膜,然后通过多晶硅引出引脚组成栅极(G)。
组成结构如下图(增强型N沟道为例):

3.2 MOS管命名由来
我们前面说过MOS管全名为:金属 (Metal)—氧化物 (Oxide)—半导体 (Semiconductor)场效应晶体管,为什么会叫这个名字,我们通过上面的组成结构用图来说明:

3.3 MOS管图标由来
在前言部分我们就给出了MOS管的电路图标,那么我们还是通过MOS管 组成结构来说明:

3.4 MOS管原理简析
MOS管结构原理图解:
Vgs电压的强弱决定了反型层的厚薄!
而反型层的厚薄决定了MOS管内阻的大小!
内阻的大小决定了D和S之间经过电流的大小!
3.5 MOS管输出特性曲线
对于N沟道增强型的MOS管,当Vgs >Vgs(th)时,MOS就会开始导通,如果在 D 极和 S 极之间加上一定的电压,就会有电流Id产生。 在一定的Vds下,D极电流 Id 的大小是与 G极电压Vgs有关的。 我们先来看一下MOS管的输出特性曲线,MOS管的输出特性可以分为三个区:夹断区(截止区)、恒流区、可变电阻区。
VGS < VGS(th)时,MOS管处于夹断区(截止区):
夹断区在输出特性最下面靠近横坐标的部分,表示MOS管不能导电,处在截止状态。电流ID为0,管子不工作。
VGS≥VGS(th),且VDS>VGS-VGS(th),MOS管进入恒流区:
恒流区在输出特性曲线中间的位置,电流ID基本不随VDS变化,ID的大小主要决定于电压VGS,所以叫做恒流区,也叫饱和区,当MOS用来做放大电路时就是工作在恒流区(饱和区)。 注:MOS管输出特性的恒流区(饱和区),相当于三极管的放大区。
VGS>VGS(th) ,且VDS < VGS - VGS(th),MOS管进入可变电阻区:
可变电阻区在输出特性的最左边,Id随着Vds的增加而上升,两者基本上是线性关系,所以可以看作是一个线性电阻,当VGS不同电阻的阻值就会不同,所以在该区MOS管相当就是一个由VGS控制的可变电阻。
击穿区:
随着VDS增大,PN结承受太大的反向电压而被击穿。
3.6 MOS管转移特性曲线
根据MOS管的输出特性曲线,可取得到相应的转移特性曲线。
反应了 MOS管的特性,通过 Vgs的电压来控制 ID(导通电流), 压控流型器件!
为什么介绍MOS管的文章都以NMOS举例?
说白了就是NMOS相对 PMOS 来说:简单点。
这个简单点,包括生产难度,实现成本,实现方式等等。对于人类发展而言,肯定是从某个事物简单的的部分开始深入研究发展,教学也是相同的道理,从某个简单部分开始更能够让人入门了解一个事物,然后再步步深入。
究其根本原因,简单概括如下:
我们通过原理分析可以得知,NMOS 是电子的移动,PMOS那就是空穴的移动,空穴的迁移率比电子低,尺寸与电压相等的条件下,PMOS的跨导小于 NMOS,形成空穴沟道比电子沟道更难。
PMOS的阈值电压教NMOS高,因此需要更高的驱动电压,充放电时间长,开关速度更低。
PMOS的导通电阻大,发热大,相对NMOS来说不易通过大电流。
所以导致现在的格局:NMOS价格便宜,厂商多,型号多。PMOS价格贵,厂商少,型号少。(相对而言,其实MOS管发展到现在,普通的应用 PMOS 和 NMOS 都有大量可方便选择的型号)

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