MOS管知識解析-mos管結構圖、特性與作用
MOS管mos管結構圖
本文解析mos管結構圖。我们先来看看MOS管是什么，mos管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体(insulator)、半导体。MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。
MOS管分爲：增強型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強型MOSFET的結構示意圖和符號見上圖。
电极 D（Drain） 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；
电极 G（Gate） 称为栅极，相当于的基极；
电极 S（Source）称为源极，相当于发射极。
mos管結構圖-N沟道增强型MOS管结构
N溝道增強型MOS管結構圖，在一塊摻雜濃度較低的P型矽襯底上，制作兩個高摻雜濃度的N+區，並用金屬鋁引出兩個電極，分別作漏極d和源極s。然後在半導體表面覆蓋一層很薄的二氧化矽(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個鋁電極,作爲柵極g。襯底上也引出一個電極B，這就構成了一個N溝道增強型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。
圖(a)、(b)分別是它的結構示意圖和代表符號。代表符號中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。
N沟道增强型MOS場效應管的工作原理
（1）vGS對iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情况
從圖1(a)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，而且不論vDS的極性如何，總有一個PN結處于反偏狀態，漏——源極間沒有導電溝道，所以這時漏極電流iD≈0。
② vGS>0 的情况
若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便産生一個電場。電場方向垂直于半導體表面的由柵極指向襯底的電場。這個電場能排斥空穴而吸引電子。
排斥空穴：使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层。吸引电子：将 P型衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。
（2）導電溝道的形成：
當vGS數值較小，吸引電子的能力不強時，漏——源極之間仍無導電溝道出現，如圖1(b)所示。vGS增加時，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當vGS達到某一數值時，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個N型薄層，且與兩個N+區相連通，在漏——源極間形成N型導電溝道，其導電類型與P襯底相反，故又稱爲反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導體表面的電場就越強，吸引到P襯底表面的電子就越多，導電溝道越厚，溝道電阻越小。
開始形成溝道時的柵——源極電壓稱爲開啓電壓，用VT表示。上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時，不能形成導電溝道，管子處于截止狀態。只有當vGS≥VT時，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時才能形成導電溝道的MOS管稱爲增強型MOS管。溝道形成以後，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流産生。
vDS對iD的影響
如图(a)所示，当vGS>VT且为一确定值时，漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型場效應管相似。
漏極電流iD沿溝道産生的電壓降使溝道內各點與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這裏溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值爲VGD=vGS－vDS，因而這裏溝道最薄。但當vDS較小（vDS）。
隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來越薄，當vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時，溝道在漏極一端出現預夾斷，如圖2(b)所示。再繼續增大vDS，夾斷點將向源極方向移動，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進入飽和區，iD幾乎僅由vGS決定。
mos管結構圖-N沟道耗尽型MOS管基本结构
N溝道耗盡型MOS管結構圖如下：
（1）mos管結構圖：
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強型MOS管基本相似。
（2）區別：
耗盡型MOS管在vGS=0時，漏——源極間已有導電溝道産生，而增強型MOS管要在vGS≥VT時才出現導電溝道。
（3）原因：
制造N溝道耗盡型MOS管時，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時，在這些正離子産生的電場作用下，漏——源極間的P型襯底表面也能感應生成N溝道(稱爲初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。
如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅－源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型場效應管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。
P溝道耗盡型MOSFET
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
MOS管特性
mos管結構圖讲完，来看看MOS管特性。上述MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的，由于SiO2绝缘层的存在，在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在，电压VGS产生电场从而导致源极-漏极电流的产生。此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小，控制栅极电压VGS的大小就可以控制漏极电流ID的大小。这就可以得出如下结论：
1） mos管是一个由改变电压来控制电流的器件，所以是电压器件。
2） mos管道输入特性为容性特性，所以输入阻抗极高。
mos管作用
1.可应用于放大。由于場效應管放大器的输入阻抗很高，因此耦合电容可以容量较小，不必使用电解电容器。
2.很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。
3.可以用作可變電阻。
4.可以方便地用作恒流源。
5.可以用作電子開關。
6.在電路設計上的靈活性大。柵偏壓可正可負可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負偏壓下工作。另外輸入阻抗高，可以減輕信號源負載，易于跟前級匹配。
