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MOS管類型-MOS管類型作用及工作原理解析

MOS管，即金屬（Metal）—氧化物（Oxide）—半導(dǎo)體（Semiconductor）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種應(yīng)用場(chǎng)效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體器件；和普通雙極型晶體管相比，MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等優(yōu)勢(shì)，在開關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、高頻感應(yīng)加熱、高頻逆變焊機(jī)、通信電源等高頻電源領(lǐng)域得到了越來越普遍的應(yīng)用。

MOS管的類型及結(jié)構(gòu)

MOS管是FET的一種（另一種為JFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管），主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：N溝道型和P溝道型；又根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)原理的不同，分為耗盡型（當(dāng)柵壓為零時(shí)有較大漏極電流）和增強(qiáng)型（當(dāng)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(gòu)成P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型、N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型4種類型產(chǎn)品。

MOS管類型

圖表1  MOS管的4種類型

每一個(gè)MOS管都提供有三個(gè)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(shí)，對(duì)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(qiáng)型、耗盡型的接法基本一樣。

MOS管類型

圖表2  MOS管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

從結(jié)構(gòu)圖可發(fā)現(xiàn)，N溝道型場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，而P溝道型場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流由輸入的電壓（或稱場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的重要原因。

MOS管工作原理

一、N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管原理

N溝道增強(qiáng)型MOS管在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)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(dǎo)體稱為襯底，用符號(hào)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(chǎng)效應(yīng)管。

當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即VGS=0時(shí)，由于漏極和源極兩個(gè)N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012Ω，即D、S之間不具備導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。

MOS管類型

圖表3  N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)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(shí)，如圖表3（a）所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)。在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運(yùn)動(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運(yùn)動(dòng)，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。

如果進(jìn)一步提高VGS電壓，使VGS達(dá)到某一電壓VT時(shí)，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(zhì)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(gè)N+型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開始形成導(dǎo)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(shí)才有溝道，而且VGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng)；“增強(qiáng)型”一詞也由此得來。

MOS管類型

圖表4  耗盡層與反型層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電溝道就會(huì)有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮?，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓VGD最小，其值為VGD=VGS－VDS，相應(yīng)的溝道最??；靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于VGS，相應(yīng)的溝道最厚。

這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來越薄。

當(dāng)VDS增大到某一臨界值，使VGD≤VGS（th）時(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”，如圖表4（a）所示。繼續(xù)增大VDS[即VDS＞VGS－VGS（th）]，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，如圖表4（b）所示。

盡管夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區(qū)（源極S到夾斷點(diǎn)）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(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場(chǎng)。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用，會(huì)很快的漂移到漏極。

圖表5  預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

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