mos管原理讲解，mos管基本原理

大家好。我是李工。如果您能支持我，我将不胜感激。有朋友留言说，由于BJT不如MOS管受欢迎，希望我发表一篇关于MOS管的文章，以便他尽快安排。 （以下如有错误或补充，请指出。）

很早之前，我发过一篇关于MOS管的文章，里面主要讲解了MOS管的应用实例，比如MOS管开关电路、MOS管驱动电路等。

如果您有兴趣，请点击下面的链接直接进入原文。

场效应晶体管的应用

本文主要介绍MOS管的基础知识，如MOS管的工作原理、MOS管封装等。

什么是Mostube？ MOS晶体管是具有绝缘栅极的FET，电压决定器件的导电性。 MOS 晶体管的发明是为了克服FET 存在的缺点，例如漏极电阻高、输入阻抗适中和运行速度慢。因此，MOS管可以说是FET的高级形式。

Mos管常用于信号切换和放大。根据施加的电压量改变电导率的能力可用于放大或切换电子信号。

MOS晶体管是数字电路中最常见的晶体管，因为存储芯片和微处理器可以包含数十万甚至数百万个晶体管。因为它们可以由p 型或n 型半导体制成，所以成对的互补MOS 晶体管可用于创建CMOS 逻辑形式的极低功耗开关电路。

现在，在数字和模拟电路中，MOS 管比BJT 更常见。下图是MOS管的实物照片。

mos管真实照片

MossTube 电路符号A MossTube 是一种四端子器件，具有源极(S)、漏极(D)、栅极端子(G) 和体(B) 端子。主体通常连接到源端子，从而将端子数量减少到三个。它的工作原理是改变电荷载流子（电子或空穴）流经的通道宽度。

MOS管根据手术类型分为增强型MOS管和耗尽型MOS管两种。增强型MOS管（E-mos管）

当栅极端子上没有施加电压时，沟道表现出最大电导。如果栅极端子两端的电压为正或负，沟道的电导率就会降低。抑郁型MOS管（D-mos管）

如果没有电压施加到栅极端子，器件将不会导通。当在栅极端子上施加最大电压时，该器件的导电性更强。

增强型和抑郁型MOS管的主要区别

增强型和耗尽型MOS管的主要区别在于，施加到E-MOS管的栅极电压必须始终为正，并且存在一个阈值电压，高于该阈值电压，E-MOS管将完全导通。

对于D-mos 管，栅极电压可以是正电压或负电压，但它永远不会完全导通。此外，D-mos 管工作在增强和抑制模式下，而E-mos 管仅工作在增强模式下。

MOS管根据构成材料又分为n沟道型和p沟道型。所以，一般来说，MOS管有四种不同类型。

N沟道耗尽型MOS晶体管P沟道耗尽型MOS晶体管N沟道增强型MOS晶体管P沟道增强型MOS晶体管N沟道MOS晶体管

N沟道MOS晶体管称为NMOS，用下面的符号表示。

N沟道MOS管符号图

根据Mos晶体管的内部结构，在耗尽模式下，栅极（G）、漏极（D）和源极（S）引脚在物理上是相连的，但在增强模式下，这些引脚在物理上是分开的。增强型MOS管符号出现断线。 P沟道苔管

P沟道MOS晶体管称为PMOS，用下面的符号表示。

P沟道MOS管电路符号图

在可用类型中，N沟道增强型MOS管是最常用的。 N沟道MOS管与P沟道MOS管的主要区别

N沟道MOS晶体管和P沟道MOS晶体管的主要区别在于，在N沟道中，MOS晶体管开关保持导通状态，直到施加栅极电压。当电压施加到栅极引脚时，开关（漏极到源极）关闭。对于P 沟道MOS 晶体管，开关保持闭合状态，直到施加栅极电压。

MOS管的工作原理MOS管的工作取决于MOS电容，它是源极和漏极之间氧化层下面的半导体表面。只需分别施加正或负栅极电压，即可将其从p 型反转为n 型。

MOS管的主要原理是控制源极和漏极之间的电压和电流。它的工作原理几乎像一个开关，并且该器件的功能基于MOS 电容器。 MOS电容是MOS管的主要部分。

苔管结构图

在漏极和源极之间连接漏源电压(VDS)，向漏极施加正电压，向源极施加负电压。这里，漏极PN结被反向偏置，源极PN结被正向偏置。在此阶段，漏极和源极之间没有电流流动。

当正电压(VGG) 施加到栅极端子时，P 衬底中的少数电荷载流子（电子）由于静电引力开始在栅极接触处积聚，在两个n+ 区域之间形成导电桥。

在栅极接触处积累的自由电子的数量取决于所施加的正电压的强度。随着施加电压的增加，n沟道由于电子的积累而变宽，最终电导率增加，漏极电流（ID）开始在源极和漏极之间流动。

如果没有电压施加到栅极端子，则除了由于少量电荷载流子而产生少量电流外，没有电流流动。 MOSFET 开始导通的最小电压称为阈值电压。 N沟道MOS管结构

为了理解MOS管的工作原理，我们以N沟道MOS管为例。考虑一个轻掺杂的P 型衬底，其中两个重掺杂的N 型区域扩散作为源极和漏极。扩散发生在这两个N+区域之间，形成连接漏极和源极的N沟道。

N沟道MOS管结构图

在整个表面上生长一层薄薄的二氧化硅(SiO2) 并钻孔，以形成漏极端子和源极端子的欧姆接触。铝导电层覆盖整个沟道，栅极形成在从源极到漏极的SiO2层上。 SiO2 基板连接到公共端或接地端。

由于其结构的原因，MOS晶体管的芯片面积比BJT小得多，与双极结型晶体管相比，其占有率仅为5%。 N沟道MOS管工作原理（抑郁模式）

首先，栅极和沟道之间可能没有PN结。可以看出，扩散沟道N（两个N+区域之间）、绝缘电介质SiO 2 和栅极的铝金属层共同形成平行板电容器。

如果NMOS晶体管需要工作在耗尽模式，则栅极端应处于负电位，漏极应处于正电位，如下图所示。

MOS管抑郁模式工作原理图

当栅极和源极之间没有施加电压时，由于漏极和源极之间的电压而有电流流动。向VGG 施加负电压。接下来，作为少数载流子的空穴被吸引并沉积在SiO2 层附近。然而，作为多数载流子的电子被排斥。

当VGG上有一定量的负电位时，一定量的漏极电流ID从源极流向漏极。随着负电势进一步增加，电子被耗尽，电流ID 减小。因此，施加的VGG越负，漏极电流ID的值越小。

靠近漏极的通道（例如FET）比源极消耗更多的功率，这种效应会降低电流。 N沟道MOS管（加强型）工作原理

如果可以改变电压VGG的极性，就可以在增强模式下操作同一个MOS管。因此，考虑具有正栅源电压V GG 的Mos晶体管，如下图所示。

mos管增强模式工作原理图

当栅极和源极之间没有施加电压时，由于漏极和源极之间的电压而有电流流动。向VGG 施加一些正电压。然后少数载流子或空穴被排斥，而多数载流子或电子被吸引到SiO2 层。

当VGG上有一定量的正电位时，一定量的漏极电流ID从源极流向漏极。随着该正电势进一步增加，电流ID 由于来自源的电子流动而增加，并且施加到VGG 的电压进一步推动这些电流。因此，施加的VGG越正，漏极电流ID的值就越大。增加的电子流比耗尽模式更好，因此电流增加。因此，这种模式称为增强型MOS管。 P-沟道MOSFET结构（抑郁模式）

Pmos管的结构和工作原理与Nmos管相同。考虑一个轻掺杂的n 衬底，其中扩散了两个重掺杂的P+ 区域。这两个P+ 区域充当源极和漏极。表面生长出一层薄薄的SiO 2 。在此层中钻一个孔以接触P+ 区域，如下图所示。

P——通道苔管结构图

P沟道MOS管工作原理

当比漏极-源极电压VDD更负的电势VGG施加到栅极端子时，P+区域的存在增加了通过扩散P沟道的空穴电流，并且PMOS工作在增强模式下。

当比漏极-源极电压VDD更正的电势VGG被施加到栅极端子时，由于排斥而发生耗尽并且电流减小。因此，Pmos 管工作在耗尽模式。虽然结构不同，但两类MOS管的工作原理相似。因此，通过改变电压极性，任何一种类型都可以在两种模式下使用。

MOS管特性曲线及耗尽型MOS管工作状态

耗尽型MOS 晶体管有时被称为“接通”器件，因为当其栅极端子处没有偏置电压时，它们通常是关闭的。增加沿正向施加到栅极的电压会增加耗尽模式下的沟道宽度。这增加了流经沟道的漏极电流I D 。如果施加的栅极电压为负，沟道宽度减小，MOS管可能进入截止区。耗尽型MOS管特性曲线

耗尽型MOS晶体管的VI特性位于漏极-源极电压(VDS)和漏极电流(ID)之间。栅极端子处的少量电压控制流过沟道的电流。当栅极端的偏置电压为零时，漏极和源极之间形成的沟道充当良导体。向栅极施加正电压会增加沟道宽度和漏极电流，向栅极施加负电压会减小沟道宽度和漏极电流。

耗尽型MOS管特性曲线

增强型MOS管工作状态

增强模式下MOS 晶体管的操作类似于打开开关；只有当正电压(+VGS) 施加到栅极端子并且漏极电流开始流过器件时，它才开始导通。随着偏置电压增加，沟道宽度和漏极电流增加。然而，如果施加的偏置电压为零或负值，晶体管本身将保持截止状态。强化MOS管特性曲线

增强型MOSFET 的VI 特性绘制在漏极电流(I D ) 和漏极-源极电压(V DS ) 之间。 VI特性分为三个不同的区域：欧姆区、饱和区和截止区。截止区是MOS管处于截止状态且外加偏置电压为零的区域。当施加偏置电压时，MOS管缓慢向导通模式移动，电导率在欧姆区缓慢增加。最后，饱和区是持续施加正电压且MOS晶体管保持导通的区域。

增强型MOS管特性曲线图

栅极电压可以根据上面的VI 传输曲线来确定，以确保在选定的漏极电流流动时确保MOSFET 保持“导通”所需的最小导通状态。当VIN为高电平或等于VDD时，MOS管的Q点沿着负载线移动到A点。

由于沟道电阻减小，漏极电流ID增加至最大值。 ID 是一个常数值，不依赖于VDD，仅依赖于VGS。因此，晶体管的行为就像一个闭合开关，但由于RDS(on) 值的原因，沟道的导通电阻不会完全降至零，而是变得非常小。

同样，当VIN下降到低或为零时，MOS管的Q点沿着负载线从A点移动到B点。沟道电阻如此之高，以至于晶体管的行为就像开路一样，没有电流流过沟道。

苔管的工作区域在此区域结束

截止区域是电流截止且电流为零的区域。在这里，该设备充当基本开关，并且在需要充当电气开关时使用。

这里MOS管的工作条件如下：

零输入栅极电压(V IN ) 零漏极电流ID 输出电压VDS=VDD。因此，在增强型MOS管的情况下，导电沟道是关闭的，器件处于“关闭”状态。截止特性

Mos管截止特性图

输入和栅极接地(0V) 栅源电压低于阈值电压V GS V THmos 管“关闭”（截止区域） 无漏极电流流动(ID=0 安培) VOUT=VDS=VDD=" 1 英寸MOS 管工作原理为“开路开关” 那么，当使用e-MOS管作为开关时，截止区域或“截止模式”可以定义为栅极电压VGS VTH，因此ID=0 即可。对于P 沟道增强型MOSFET，必须相对于源极校正栅极电位。饱和区

无论漏源电压如何增加，饱和区器件的漏源电流值都不会改变。当漏源极端子电压增加到夹断电压值之上时，这种情况仅发生一次。在这种情况下，该器件充当闭合开关，饱和电流从漏极端子流向源极端子。因此，当器件需要进行开关时，选择饱和区。饱和特性

Mos管饱和特性图

输入和栅极连接到VDD 栅源电压远大于阈值电压VGS VTHmos 管“导通”（饱和区） 最大漏极电流（ID=VDD/RL） V DS=0V（理想） 最小沟道电阻RDS（导通） 0.1 RDS(on) 允许VOUT=VDS 0.2Vmos 该管表现为低电阻“闭合开关” 然后使用e-mos 管作为带栅极的开关- 您可以定义电源电压、饱和区或“转-on”模式，VGS VTH。因此，ID=最大值。对于P 沟道增强型MOS 晶体管，栅极电位必须相对于源极更负。

通过向栅极施加适当的驱动电压，漏源沟道电阻R DS(on) 可以从几百k的“关断电阻”（实际上是开路）变为“导通电阻”。一旦电阻值低于1 欧姆，您基本上就会开始经历短路效应。

当使用mos管作为开关时，你可以让mos管“开启”得更快或更慢，或者承载更高或更低的电流。这种“打开”和“关闭”功率MOS 晶体管的能力使该器件能够用作高效开关，其开关速度比标准双极结型晶体管快得多。线性/欧姆区

当从漏极到源极的路径上的电压增加时，从漏极到源极端子的电流增加的区域。当MOS管工作在这个线性区内时，它就起到了放大器的作用。

MOS管最常用的封装是To-220，但为了更好地理解它，我们首先看一下著名的IRF540N MOSFET的引脚排列（见下图）。栅极、漏极和源极引脚如下所示。这些引脚的顺序可能因制造商而异。其他流行的MOS管包括IRFZ44N、BS170、IRF520和2N7000。

MOS管封装图

MOS 管有多种封装、尺寸和名称，可用于许多不同类型的应用。 MOS 晶体管通常有四种不同的封装：表面贴装、通孔、PQFN 和DirectFET。

苔管包装

Mos管根据封装不同有不同的名称：

表面贴装：TO-263、TO-252、MO-187、SO-8、SOT-223、SOT-23、TSOP-6等。通孔：TO-262、TO-251、TO-274、TO-220、TO-247 等PQFN：PQFN 2x2、PQFN 3x3、PQFN 3.3x3.3、PQFN 5x4、PQFN 5x6 等DirectFET：DirectFET M4、DirectFET MA、DirectFET MD、DirectFET ME、DirectFET S1、DirectFET SH等。以上是MOS管的基础知识，但由于时间有限，内容海量，具体应用、特点我们就不讨论了MOS管的参数、检测质量等，稍后我会解释。

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