MOS管/MOSFET的工作原理及作用分析

• 來(lái)源：宇芯電子 更新時(shí)間：2019-01-05 17:07:23點(diǎn)擊：6次

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  金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管，是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場(chǎng)效晶體管。MOSFET依照其“通道”（工作載流子）的極性不同，可分為“N型”與“P型” 的兩種類型，通常又稱為NMOSFET與PMOSFET，其他簡(jiǎn)稱尚包括NMOS、PMOS等。MOS管的源極（source）和漏極（drain）是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。

  
  

  

  
  

  MOS管的工作原理

   

  它是利用VGS來(lái)控制“感應(yīng)電荷”的多少，以改變由這些“感應(yīng)電荷”形成的導(dǎo)電溝道的狀況，然后達(dá)到控制漏極電流的目的。在制造管子時(shí)，通過(guò)工藝使絕緣層中出現(xiàn)大量正離子，故在交界面的另一側(cè)能感應(yīng)出較多的負(fù)電荷，這些負(fù)電荷把高滲雜質(zhì)的N區(qū)接通，形成了導(dǎo)電溝道，即使在VGS=0時(shí)也有較大的漏極電流ID。當(dāng)柵極電壓改變時(shí)，溝道內(nèi)被感應(yīng)的電荷量也改變，導(dǎo)電溝道的寬窄也隨之而變，因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。下面是MOS管的原理圖。

  
  

  

  
  

  無(wú)論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì)發(fā)生像三極管做開關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，因此在開關(guān)應(yīng)用中，MOS管的開關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。

   

  MOS管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示;其導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷β蔒OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET，大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

  
  

  

  
  

  其主要特點(diǎn)是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層，因此具有很高的輸入電阻，該管導(dǎo)通時(shí)在兩個(gè)高濃度n擴(kuò)散區(qū)間形成n型導(dǎo)電溝道。n溝道增強(qiáng)型MOS管必須在柵極上施加正向偏壓，且只有柵源電壓大于閾值電壓時(shí)才有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加?xùn)艍海旁措妷簽榱悖r(shí)，就有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。

   

  MOS管的輸入、輸出特性，對(duì)于共源極接法的電路，源極和襯底之間被二氧化硅絕緣層隔離，所以柵極電流為0。

  
  

  

  圖（a）為共源極接法的電路，輸出特性曲線如右圖所示。

  
  

  當(dāng)VGS  

  
  

  MOS管作為開關(guān)元件，同樣是工作在截止或?qū)▋煞N狀態(tài)。由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態(tài)。導(dǎo)通的意思是作為開關(guān)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。下面以NMOS管為例介紹其特性。

  
  

  

  圖 （a）為由NMOS增強(qiáng)型管構(gòu)成的開關(guān)電路。

  
  

  
  

  NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。

   

  PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。

   

  MOS管的作用：

   

  1、可應(yīng)用于放大電路。由于MOS管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。

   

  2、很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)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(guān)。

   

  MOS管為壓控元件，你只要加到它的壓控元件所需電壓就能使它導(dǎo)通，它的導(dǎo)通就像三極管在飽和狀態(tài)一樣，導(dǎo)通結(jié)的壓降最小。這就是常說(shuō)的精典是開關(guān)作用。去掉這個(gè)控制電壓經(jīng)就截止。

   

  我們知道MOS管對(duì)于整個(gè)供電系統(tǒng)起著穩(wěn)壓的作用，但是MOS管不能單獨(dú)使用，它必須和電感線圈、電容等共同組成的濾波穩(wěn)壓電路，才能發(fā)揮充分它的優(yōu)勢(shì)。

   

  主板上的PWM（Plus Width Modulator，脈沖寬度調(diào)制器）芯片產(chǎn)生一個(gè)寬度可調(diào)的脈沖波形，這樣可以使兩只MOS管輪流導(dǎo)通。當(dāng)負(fù)載兩端的電壓（如CPU需要的電壓）要降低時(shí)，這時(shí)MOS管的開關(guān)作用開始生效，外部電源對(duì)電感進(jìn)行充電并達(dá)到所需的額定電壓。當(dāng)負(fù)載兩端的電壓升高時(shí)，通過(guò)MOS管的開關(guān)作用，外部電源供電斷開，電感釋放出剛才充入的能量，這時(shí)的電感就變成了“電源”，繼續(xù)對(duì)負(fù)載供電。隨著電感上存儲(chǔ)能量的不斷消耗，負(fù)載兩端的電壓又開始逐漸降低，外部電源通過(guò)MOS管的開關(guān)作用又要充電。這樣循環(huán)不斷地進(jìn)行充電和放電的過(guò)程，從而形成一種穩(wěn)定的電壓，永遠(yuǎn)使負(fù)載兩端的電壓不會(huì)升高也不會(huì)降低。

  
  

  
  

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