mos管是一种具有绝缘栅的FET,其中电压决定了器件的电导率。发明mos管是为了克服 FET 中存在的缺点,如高漏极电阻、中等输入阻抗和较慢的操作。所以mos管可以称为FET的高级形式。mos管常用于切换或放大信号。随着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管是迄今为止数字电路中最常见的晶体管,因为内存芯片或微处理器中可能包含数十万或数百万个晶体管。由于它们可以由 p 型或 n 型半导体制成,互补的 MOS 晶体管对可用于以CMOS逻辑的形式制造具有非常低功耗的开关电路。在数字和模拟电路中,mos管现在甚至比BJT更常见,下图为mos管的实物图。mos管实物图
N 沟道mos管N 沟道mos管称为NMOS,用以下符号表示。N 沟道mos管符号图根据mos管的内部结构,在耗尽型 mos管 中,栅极 (G)、漏极 (D) 和源极 (S) 引脚是物理连接的,而在增强模式下它们是物理分离的,这就是为什么增强模式mos管的符号出现损坏。P 沟道mos管P 沟道mos管称为PMOS,用以下符号表示。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mos管。N 沟道mos管和 P通道mos管之间的主要区别N 沟道mos管和 P沟道mos管之间的主要区别在于,在 N 沟道中,mos管开关将保持打开状态,直到提供栅极电压。当栅极引脚接收到电压时,开关(漏极和源极之间)将关闭,在 P 沟道 mos管中,开关将保持关闭,直到提供栅极电压。
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的氧化层下方的半导体表面。只需分别施加正栅极电压或负栅极电压,即可将其从 p 型反转为 n 型。mos管的主要原理是能够控制源极和漏极之间的电压和电流。它的工作原理几乎就像一个开关,设备的功能基于 MOS 电容。MOS电容是MOS管的的主要部分。mos管的结构图当漏源电压(VDS)连接在漏极和源极之间时,正电压施加到漏极,负电压施加到源极。在这里,漏极的 PN 结是反向偏置的,而源极的 PN 结是正向偏置的。在这个阶段,漏极和源极之间不会有任何电流流动。如果我们将正电压 (VGG ) 施加到栅极端子,由于静电引力,P衬底中的少数电荷载流子(电子)将开始积聚在栅极触点上,从而在两个 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施加的正电压的强度。施加的电压越高,由于电子积累而形成的 n 沟道宽度越大,这最终会增加电导率,并且漏极电流 (ID ) 将开始在源极和漏极之间流动。当没有电压施加到栅极端子时,除了由于少数电荷载流子而产生的少量电流外,不会有任何电流流动。mos管开始导通的最小电压称为阈值电压。N沟道mos管的构造以N 沟道 mos管为例子来了解mos管工作原理。取一个轻掺杂的P型衬底,其中扩散了两个重掺杂的N型区域,作为源极和漏极。在这两个 N+ 区域之间,发生扩散以形成 N 沟道,连接漏极和源极。N沟道mos管的构造图在整个表面上生长一层薄薄的二氧化硅 (SiO2 ),并制作孔以绘制用于漏极和源极端子的欧姆接触。铝的导电层覆盖在整个通道上,在这个SiO2层上,从源极到漏极,构成栅极。SiO 2衬底连接到公共或接地端子。由于其结构,mos管的芯片面积比 BJT 小得多,与双极结型晶体管相比,其占用率仅为 5%。N沟道mos管(耗尽型)的工作原理首先,我们认为在栅极和沟道之间不存在 PN 结。我们可以观察到,扩散沟道N(两个N+区域之间)、绝缘介质SiO 2和栅极的铝金属层共同形成了一个平行板电容器。如果 Nmos管必须工作在耗尽模式,则栅极端应为负电位,漏极为正电位,如下图所示。mos管在耗尽模式下的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,一些电流会流动。让一些负电压施加在VGG上。然后少数载流子即空穴被吸引并在SiO2层附近沉降。但是多数载流子,即电子被排斥。在VGG处具有一定量的负电位时,一定量的漏极电流ID流过源极到漏极。当这个负电位进一步增加时,电子被耗尽,电流ID减小。因此,施加的VGG越负,漏极电流ID的值就越小。靠近漏极的通道比源极(如 FET)消耗得更多,并且由于这种效应,电流会减少。N沟道mos管的工作原理(增强型)如果我们可以改变电压VGG的极性,相同的mos管可以在增强模式下工作。因此,我们考虑栅极源极电压V GG为正的mos管,如下图所示。mos管在增强模式下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,一些电流会流动。让一些正电压施加在VGG上。然后少数载流子即空穴被排斥而多数载流子即电子被吸引向SiO 2层。在VGG处具有一定量的正电位时,一定量的漏极电流ID流过源极到漏极。当该正电位进一步增加时,电流ID由于来自源极的电子流动而增加,并且由于施加在VGG的电压而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。由于电子流的增加比耗尽模式更好,电流得到增强。因此,这种模式被称为增强模式mos管。P – 沟道 mos管的构造(耗尽型)Pmos管的构造和工作与 Nmos管相同。取一个轻掺杂的n-衬底,其中扩散了两个重掺杂的P+区。这两个 P+ 区域用作源极和漏极。在表面上生长一层薄薄的SiO 2 。通过该层切割孔以与 P+ 区域接触,如下图所示。P – 沟道 mos管的构造图P沟道mos管的工作原理当栅极端子在V GG处被赋予比漏源电压V DD负电位时,由于存在 P+ 区域,空穴电流通过扩散的 P 沟道增加,PMOS 工作在增强模式。当栅极端子在V GG处被赋予比漏源电压V DD的正电位时,由于排斥,发生耗尽,因此电流减少。因此 Pmos管在耗尽模式下工作。尽管结构不同,但两种类型的 mos管的工作原理是相似的。因此,随着电压极性的变化,这两种类型都可以在两种模式中使用。
mos管的特性曲线
耗尽型mos管的工作状态耗尽型 mos管通常被称为“开关导通”器件,因为它们通常在栅极端没有偏置电压时处于闭合状态。当我们以正向增加施加到栅极的电压时,沟道宽度将在耗尽模式下增加。这将增加通过沟道的漏极电流 I D。如果施加的栅极电压为负值,则沟道宽度会变小,mos管可能会进入截止区。耗尽型mos管的特性曲线耗尽型mos管晶体管的VI 特性介于漏源电压 (VDS ) 和漏电流 ( ID ) 之间。栅极端子处的少量电压将控制流过通道的电流。在漏极和源极之间形成的沟道将充当良导体,在栅极端子处具有零偏置电压。如果向栅极施加正电压,则沟道宽度和漏极电流会增加,而当我们向栅极施加负电压时,它们会减小。耗尽型mos管的特性曲线图增强型mos管的工作状态mos管在增强模式下的操作类似于打开开关的操作,只有在栅极端施加正电压(+VGS)并且漏极电流开始流过器件时,它才会开始导通。当偏置电压增加时,沟道宽度和漏极电流会增加。但是,如果施加的偏置电压为零或负,则晶体管本身将保持在关闭状态。增强型 mos管的特性曲线增强型 mos管的 VI 特性在漏极电流 (I D ) 和漏源电压 (V DS )之间绘制。VI 特性分为三个不同的区域,即欧姆区、饱和区和截止区。截止区域是mos管将处于关闭状态的区域,其中施加的偏置电压为零。当施加偏置电压时,mos管缓慢地向导通模式移动,并且在欧姆区发生电导率的缓慢增加。最后,饱和区是不断施加正电压且mos管将保持导通状态的区域。增强型 mos管的特性曲线图确保mos管在承载选定漏极电流时保持“导通”所需的最小导通状态,栅极电压可以从上面的 VI 传递曲线确定。当VIN为高电平或等于VDD时,mos管Q 点沿负载线移动到A点。由于沟道电阻的减小,漏极电流I D增加到其最大值。ID成为独立于VDD的常数值,并且仅取决于VGS。因此,晶体管的行为就像一个闭合的开关,但由于其RDS(on)值,通道导通电阻不会完全降低到零,而是变得非常小。同样,当VIN为低电平或降至零时,mos管Q点沿负载线从 A 点移动到 B 点。通道电阻非常高,因此晶体管就像开路一样,没有电流流过通道。