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mos管工作原理

發(fā)布日期： 2018-09-15 瀏覽次數(shù)： 2,188

MOS管是起開(kāi)關(guān)作用的元件，其工作原理其實(shí)非常簡(jiǎn)答，同過(guò)工作原理，我們用PWM電路實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS關(guān)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通控制，下面我們?cè)敿?xì)介紹其工作過(guò)程。首選給帶來(lái)的是基本概念和其結(jié)構(gòu)圖。如下：
場(chǎng)效應(yīng)管（FET）分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管，即金屬-氧化物-半導(dǎo)體。下面以增強(qiáng)型NMOS為例，介紹MOS管的工作原理。

MOS管的基本結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)型NMOS的結(jié)構(gòu)圖如圖 18所示，在參雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高參雜濃度的N型溝槽。分別用鋁從兩個(gè)N型溝槽中引出兩個(gè)電極分別作為源極S和漏極D（此時(shí)的源極和漏極在結(jié)構(gòu)上沒(méi)有區(qū)別是可以互換的）。然后在半導(dǎo)體的表面覆蓋一層很薄的SiO₂絕緣層。在漏源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極；作為柵極G。另外在襯底上也引出一個(gè)電極B。

圖 18

在出廠前大多數(shù)MOS管的襯底已經(jīng)和源極連在了一起，此時(shí)源極S和漏極D就有了區(qū)別，不能再互換了。

MOS管出現(xiàn)導(dǎo)電溝道（反型層的形成）

在U_GS=0時(shí)，無(wú)論U_DS的大小和極性，都會(huì)使得2個(gè)GS和DG這兩個(gè)PN結(jié)中一個(gè)正偏，另一個(gè)反偏。但是由于兩個(gè)N區(qū)之間被P襯底隔離，所以沒(méi)有辦法形成電流，情況如圖 19所示。

圖 19

當(dāng)在柵源極之間加上正向電壓（所謂的正向電壓永遠(yuǎn)是指電場(chǎng)方向是從P區(qū)指向N區(qū)）后，則在柵極和襯底之間的SiO₂絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子，因而使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層，同時(shí)P襯底中的少子電子被吸引到襯底表面。當(dāng)U_GS增加大一定大小時(shí)，隨著SiO₂絕緣層中電場(chǎng)的增強(qiáng)，會(huì)將更多的電子吸引到P襯底的表面，于是柵極附近會(huì)形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N區(qū)聯(lián)通。此時(shí)就形成了導(dǎo)電溝道，于是在DS之間就有電流可以通過(guò)了，其情況如圖 20所示。

圖 20

在這個(gè)階段，如果U_DS保持不變，U_GS增加會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電溝道變厚，從而I_D變大。

MOS管預(yù)夾斷的形成

（預(yù)夾斷的形成是在理解初期的一個(gè)難點(diǎn)，這里的描述是參考了一些文獻(xiàn)之后自己的理解，正確性還需要考證）

當(dāng)U_GS>U_GSTH時(shí)，導(dǎo)電溝道形成，與S和D極連在一起形成了一個(gè)大的N型半導(dǎo)體。所以當(dāng)在DS間加上正電壓之后，電流可以在N型半導(dǎo)體中流動(dòng)。

設(shè)想U(xiǎn)_DS=0時(shí)，I_D=0，SiO2絕緣層與導(dǎo)電溝道之間的電場(chǎng)是均勻分布的，即從D到S的導(dǎo)電溝道一樣厚。但是導(dǎo)電溝道作為導(dǎo)體的一部分，一定是有電阻的。隨著U_DS的增加，I_D的增大，靠近S端的電勢(shì)會(huì)比靠近N處的電勢(shì)要低。這里很重要的一點(diǎn)是在這個(gè)過(guò)程中SiO2平面上各個(gè)點(diǎn)的電勢(shì)是均勻的，所以在導(dǎo)電溝道不同點(diǎn)與SiO2之間的電場(chǎng)強(qiáng)度是不一樣的。

如果以S端的電勢(shì)為0的話(huà)，隨著ID的不斷增大，D點(diǎn)的電勢(shì)會(huì)達(dá)到UGS-UGSTH。此時(shí)UG與UD之間的電勢(shì)差為UGSTH，此時(shí)靠近D點(diǎn)處的電勢(shì)差恰好達(dá)到可以產(chǎn)生導(dǎo)電溝道的情況，于是在D極處就開(kāi)始出現(xiàn)如圖 21所示的預(yù)夾斷。

圖 21

隨著I_D的繼續(xù)增大，預(yù)夾斷的點(diǎn)會(huì)不斷往左移動(dòng)，如圖 22所示。但是無(wú)論如何移動(dòng)，預(yù)夾斷點(diǎn)與G之間的電壓差保持為|U_GSTH|。

圖 22

另外非常重要的一點(diǎn)是，在預(yù)夾斷的區(qū)域內(nèi)，縱向的電勢(shì)差不足以出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，但是由于DS間的電勢(shì)差都落在了這段預(yù)夾斷區(qū)域內(nèi)（即D極至夾斷點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，且方向是從D極橫向指向夾斷點(diǎn)），于是夾斷區(qū)內(nèi)有很強(qiáng)的橫向電場(chǎng)。于是當(dāng)載流子到達(dá)夾斷區(qū)邊沿時(shí)，會(huì)被電場(chǎng)拉出，從D極輸出。所以預(yù)夾斷并不是不能導(dǎo)電，反而可以很好地完成導(dǎo)電。

預(yù)夾斷的過(guò)程中I_D為什么不變

有了以上認(rèn)識(shí)就可以解釋為什么在預(yù)夾斷過(guò)程中U_DS繼續(xù)增大，I_D的值可以保持不變。在進(jìn)入預(yù)夾斷之后，U_DS繼續(xù)增大的過(guò)程中，夾斷點(diǎn)不斷向S極移動(dòng)，但是保持了夾斷點(diǎn)和S極之間的電壓保持不變（數(shù)值上等于|U_GSTH|）。即增加的U_DS的電壓全部落在了夾斷區(qū)內(nèi)。（這里有一點(diǎn)沒(méi)法從原理上解釋?zhuān)强梢詮慕Y(jié)果反推，就是雖然導(dǎo)電溝道的長(zhǎng)度在縮短，但是電阻值沒(méi)有什么變化）于是I_D的值保持不變。

當(dāng)反向電壓達(dá)到一定程度的時(shí)候就出現(xiàn)了反向擊穿，場(chǎng)效應(yīng)管就壞了。

場(chǎng)效應(yīng)管的特性曲線(xiàn)

圖 23

圖 24

圖 23和圖 24的左側(cè)為漏極輸出特性曲線(xiàn)，右側(cè)為轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。

特性曲線(xiàn)中在V_GS=-4V的曲線(xiàn)下方可以成為截止區(qū)，該區(qū)域的情況是V_GS還沒(méi)有到達(dá)導(dǎo)電溝道導(dǎo)通電壓，整個(gè)MOS管還沒(méi)有開(kāi)始導(dǎo)電。

可變電阻區(qū)又稱(chēng)為放大區(qū)，在V_DS一定的的情況下I_D的大小直接受到V_GS的控制，且基本為線(xiàn)性關(guān)系。注意三極管中的放大區(qū)和MOS管的放大區(qū)有很大區(qū)別，不能覺(jué)得是相似的。

恒流區(qū)又稱(chēng)為飽和區(qū)，此時(shí)I_D大小只收到V_GS的控制，V_DS變化過(guò)程中I_D的大小不變。

場(chǎng)效應(yīng)管的符號(hào)

場(chǎng)效應(yīng)管的分類(lèi)列表如下:

圖 25

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）和絕緣柵性場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的區(qū)別

圖 26

本文中詳細(xì)介紹的是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，如圖 26右側(cè)圖所示。而左側(cè)這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，其工作原理大致如下：

在U_GS沒(méi)有電壓的情況下，在兩個(gè)P區(qū)之間形成N區(qū)通道，連接著D極和S極。當(dāng)U_DS有電壓時(shí)在N型半導(dǎo)體內(nèi)形成電流。當(dāng)G、S間加上反向電壓U_GS后（所謂反向電壓是指從N區(qū)指向P區(qū)的電壓），在電場(chǎng)力作用下N區(qū)通道逐漸變窄，直至消失，從而I_D減為0。其特性曲線(xiàn)如圖 27所示。

圖 27

增強(qiáng)型絕緣柵晶體管和耗盡型絕緣柵晶體管

圖 28

本文中詳細(xì)介紹的是增強(qiáng)型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，耗盡型絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管在SiO2絕緣層中摻雜了大量的金屬正離子，所以在U_GS沒(méi)有電壓的情況下這些正離子感應(yīng)出反型層，形成導(dǎo)電溝道；于是U_GS的作用就是抑制導(dǎo)電溝道。