點擊：857 發布于：2022-10-20
MOS管是FET的一種（另一種為JFET結型場效應管），主要有兩種結構形式：N溝道型和P溝道型；又根據場效應原理的不同，分為耗盡型（當柵壓為零時有較大漏極電流）和增強型（當柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流）兩種。因此，MOS管可以被制構成P溝道增強型、P溝道耗盡型、N溝道增強型、N溝道耗盡型4種類型產品。
圖表1 MOS管的4種類型
每一個MOS管都提供有三個電極：Gate柵極（表示為“G”）、Source源極（表示為“S”）、Drain漏極（表示為“D”）。接線時，對于N溝道的電源輸入為D，輸出為S；P溝道的電源輸入為S，輸出為D；且增強型、耗盡型的接法基本一樣。
圖表2 MOS管內部結構圖
從結構圖可發現，N溝道型場效應管的源極和漏極接在N型半導體上，而P溝道型場效應管的源極和漏極則接在P型半導體上。場效應管輸出電流由輸入的電壓（或稱場電壓）控制，其輸入的電流極小或沒有電流輸入，使得該器件有很高的輸入阻抗，這也是MOS管被稱為場效應管的重要原因。
MOS管工作原理
1、N溝道增強型場效應管原理
N溝道增強型MOS管在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區，從N型區引出電極（漏極D、源極S）；在源極和漏極之間的SiO2絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G；P型半導體稱為襯底，用符號B表示。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以NMOS又被稱為絕緣柵型場效應管。
當柵極G和源極S之間不加任何電壓，即VGS=0時，由于漏極和源極兩個N+型區之間隔有P型襯底，相當于兩個背靠背連接的PN結，它們之間的電阻高達1012Ω，即D、S之間不具備導電的溝道，所以無論在漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會產生漏極電流ID。
圖表3 N溝道增強型MOS管結構示意圖
當將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即VGS＞0時，如圖表3（a）所示，則在柵極與襯底之間產生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動，電子受電場的吸引向襯底表面運動，與襯底表面的空穴復合，形成了一層耗盡層。
如果進一步提高VGS電壓，使VGS達到某一電壓VT時，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如圖表3（b）所示。
反型層將漏極D和源極S兩個N+型區相連通，構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的VGS值稱為閾值電壓或開啟電壓，用VGS（th）表示。顯然，只有VGS＞VGS（th）時才有溝道，而且VGS越大，溝道越厚，溝道的導通電阻越小，導電能力越強；“增強型”一詞也由此得來。
圖表4 耗盡層與反型層產生的結構示意圖
在VGS＞VGS（th）的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓VDS，導電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區流向源區，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區到源區逐漸減小，靠近漏區一端的電壓VGD最小，其值為VGD=VGS－VDS，相應的溝道最薄；靠近源區一端的電壓最大，等于VGS，相應的溝道最厚。
這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區一端的溝道越來越薄。
當VDS增大到某一臨界值，使VGD≤VGS（th）時，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預夾斷”，如圖表4（a）所示。繼續增大VDS[即VDS＞VGS－VGS（th）]，夾斷點向源極方向移動，如圖表4（b）所示。
盡管夾斷點在移動，但溝道區（源極S到夾斷點）的電壓降保持不變，仍等于VGS－VGS（th）。因此，VDS多余部分電壓[VDS－（VGS－VGS（th））]全部降到夾斷區上，在夾斷區內形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區，當電子到達夾斷區邊緣時，受夾斷區強電場的作用，會很快的漂移到漏極。
圖表5 預夾斷及夾斷區形成示意圖
2、P溝道增強型場效應管原理
P溝道增強型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過光刻、擴散的方法或其他手段，在N型襯底（基片）上制作出兩個摻雜的P區，分別引出電極（源極S和漏極D），同時在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬柵極G。其結構和工作原理與N溝道MOS管類似；只是使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反。
在正常工作時，P溝道增強型MOS管的襯底必須與源極相連，而漏極對源極的電壓VDS應為負值，以保證兩個P區與襯底之間的PN結均為反偏，同時為了在襯底頂表面附近形成導電溝道，柵極對源極的電壓也應為負。
圖表6 P溝道增強型MOS管的結構示意圖
當VDS=0時。在柵源之間加負電壓比，由于絕緣層的存在，故沒有電流，但是金屬柵極被補充電而聚集負電荷，N型半導體中的多子電子被負電荷排斥向體內運動，表面留下帶正電的離子，形成耗盡層。
隨著G、S間負電壓的增加，耗盡層加寬，當VDS增大到一定值時，襯底中的空穴（少子）被柵極中的負電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個P型薄層，稱反型層，如圖表6（2）所示。
這個反型層就構成漏源之間的導電溝道，這時的VGS稱為開啟電壓VGS（th），達到VGS（th）后再增加，襯底表面感應的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用VGS的大小控制導電溝道的寬度。
圖表7 P溝道增強型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖
當VDS≠0時。導電溝道形成以后，D、S間加負向電壓時，那么在源極與漏極之間將有漏極電流ID流通，而且ID隨VDS而增，ID沿溝道產生的壓降使溝道上各點與柵極間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中負電荷電場的作用，使溝道從漏極到源極逐漸變窄，如圖表7（1）所示。
當VDS增大到使VGD=VGS（即VDS=VGS-VGS（TH）），溝道在漏極附近出現預夾斷，如圖表7（2）所示。再繼續增大VDS，夾斷區只是稍有加長，而溝道電流基本上保持預夾斷時的數值，其原因是當出現預夾斷時再繼續增大VDS，VDS的多余部分就全部加在漏極附近的夾斷區上，故形成的漏極電流ID近似與VDS無關。
圖表8 P溝道增強型MOS管預夾斷及夾斷區形成示意圖
3、N溝道耗盡型場效應管原理
N溝道耗盡型MOS管的結構與增強型MOS管結構類似，只有一點不同，就是N溝道耗盡型MOS管在柵極電壓VGS=0時，溝道已經存在。這是因為N溝道是在制造過程中采用離子注入法預先在D、S之間襯底的表面、柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，該溝道亦稱為初始溝道。
當VGS＝0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道，所以只要有漏源電壓，就有漏極電流存在；當VGS＞0時，將使ID進一步增加；VGS＜0時，隨著VGS的減小，漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對應ID＝0的VGS稱為夾斷電壓或閾值電壓，用符號VGS（off）或Up表示。
由于耗盡型MOSFET在VGS=0時，漏源之間的溝道已經存在，所以只要加上VDS，就有ID流通。如果增加正向柵壓VGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應更多的電子，溝道變厚，溝道的電導增大。
如果在柵極加負電壓（即VGS＜0），就會在相對應的襯底表面感應出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產生一個耗盡層，使溝道變窄，溝道電導減小。當負柵壓增大到某一電壓VGS（off）時，耗盡區擴展到整個溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時即使VDS仍存在，也不會產生漏極電流，即ID=0。
圖表9 N溝道耗盡型MOS管結構（左）及轉移特性（右）示意圖
4、P溝道耗盡型場效應管原理
P溝道耗盡型MOS管的工作原理與N溝道耗盡型MOS管完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性也不同。
5、耗盡型與增強型MOS管的區別
耗盡型與增強型的主要區別在于耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時有導電溝道存在，而增強型MOS管只有在開啟后，才會出現導電溝道；兩者的控制方式也不一樣，耗盡型MOS管的VGS（柵極電壓）可以用正、零、負電壓控制導通，而增強型MOS管必須使得VGS>VGS（th）（柵極閾值電壓）才行。
由于耗盡型N溝道MOS管在SiO2絕緣層中摻有大量的Na+或K+正離子（制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子），當VGS=0時，這些正離子產生的電場能在P型襯底中感應出足夠的電子，形成N型導電溝道；當VGS>0時，將產生較大的ID（漏極電流）；如果使VGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。
這些特性使得耗盡型MOS管在實際應用中，當設備開機時可能會誤觸發MOS管，導致整機失效；不易被控制，使得其應用極少。
因此，日常我們看到的NMOS、PMOS多為增強型MOS管；其中，PMOS可以很方便地用作高端驅動。不過PMOS由于存在導通電阻大、價格貴、替換種類少等問題，在高端驅動中，通常還是使用NMOS替代，這也是市面上無論是應用還是產品種類，增強型NMOS管最為常見的重要原因，尤其在開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS管。
