电子元器件与电路之-MOS管的介绍和作用
电子元器件与电路之-MOS管的介绍和作用
MOS管（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种重要的半导体器件，广泛应用于各种电子电路中。本文将详细介绍MOS管的基本概念、类型、工作原理、特性参数及其在电路中的应用。
一、基本概念
MOS管（MOSFET）是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。它主要有三个电极：栅极（G）、源极（S）和漏极（D）。其工作原理基于半导体表面的电场效应，当在栅极施加合适的电压时，会在半导体沟道中形成或改变导电通道，从而控制源极和漏极之间的电流大小。
二、结型场效应管和绝缘栅型场效应管
场效应晶体管的基本构造普遍包含三个部分：源极、漏极和栅极。按结构可以分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅型场效应管（MOS管）。
结型场效应管（JFET）
JFET在N型硅基片两侧各作一个高浓度的P型区，形成两个PN结并联在一起，引出电极称为栅极G，两端引出两条极线，分别为源极S和漏极D，中间部分称为N沟道，是导电沟道，耗尽层为N型半导体的称为N沟道。
N沟道JFET：电子是主要的载流子，当栅极电压为负时（相对于源极），栅极下方的N型半导体区域会形成耗尽层，从而减少沟道的宽度和导电性，进而控制漏极和源极之间的电流。随着栅极负电压的增大，耗尽层变宽，沟道电阻增大，漏极电流减小；反之，栅极负电压减小时，耗尽层变窄，沟道电阻减小，漏极电流增大。
同理，若在P型硅基片两侧各作一个高浓度的N型区，则形成P沟道结型场效应管，耗尽层为P型半导体的称为P沟道。
P沟道JFET：空穴是主要的载流子，栅极电压为正时才会形成耗尽层并控制电流。当栅极正电压增大时，耗尽层变宽，沟道电阻增大，漏极电流减小；栅极正电压减小时，耗尽层变窄，沟道电阻减小，漏极电流增大。
绝缘栅型场效应管（MOSFET）
绝缘栅型场效应管有两种结构形式：N沟道型MOS场效应管和P沟道型MOS场效应管。每种类型又分为增强型和耗尽型两种。在实际应用中，以增强型NMOS和增强型PMOS为主。
增强型管：栅极-源极电压Vgs为零时漏极电流也为零。这种类型使用最简单，符合人们习惯，因此日常使用以这种为主。
耗尽型管：栅极-源极电压Vgs为零时漏极电流不为零。
N沟道增强型MOS管
基本结构：N沟道增强型MOS管是以一块掺杂浓度较低的P型硅材料作为衬底，在它的表面两端分别制成两个高掺杂浓度的N+区，然后在P型硅表面生成一层很薄的二氧化硅（SiO2）绝缘层，并在二氧化硅的表面及两N+型区的表面分别安置3个铝电极——栅极G、源极S、漏极D，就成了N沟道MOS管。通常将衬底B与源极S接在一起使用。这就是“金属-氧化物-半导体场效应晶体管”名字的由来。
工作原理：当栅源电压uGS=0时，漏源之间没有导电沟道，漏极电流iD等于零。当栅极与源极之间加上一个小的正向电压uGS时，在SiO₂的绝缘层中，产生一个垂直于半导体表面、由栅极指向P型衬底的电场，这个电场排斥空穴而吸引电子，使靠近二氧化硅一侧P型材料中的空穴被排斥，形成耗尽层。当栅源电压uGS增大到一定值后，在P型材料的表面（靠近绝缘层附近）感应出许多自由电子，形成一个N型薄层（可以理解为中间部分的P型变成了N型，将左右两块N型区域连在一起），即“反型层”，就构成了漏源之间的导电沟道，其厚度随着栅源电压uGS进一步增大而增加。当漏源之间形成导电沟道后，如果加上正的漏源电压uDS，便产生漏极电流iD。在漏源电压作用下，开始产生漏极电流iD，此时的栅源电压称为开启电压UT。沟道越厚，导电沟道电阻越小。
N沟道耗尽型MOS管
基本结构：N沟道耗尽型MOS管的结构与N沟道增强型MOS管的结构相似。N沟道增强型MOS管在uGs=0时没有导电沟道，只有当uGs增大到UTH时，才形成导电沟道。而N沟道耗尽型MOS管在UGs=0时就存在原始导电沟道，它的导电沟道是在制造工艺过程中形成的。通常在SiO2绝缘层形成过程中，掺入一些金属正离子，由于正离子的作用，产生了一个垂直于P型衬底的纵向电场，使漏、源之间的P型衬底表面上感应出较多的电子，形成N型反型层原始导电沟道。
工作原理：由于在制造工艺过程中已经形成了原始导电沟道，所以当UGS=0时，就有漏极电流存在。当UGS在一定范围内变化时，导电沟道的宽度会相应地改变，从而控制漏极电流的大小。当UGS减小到夹断电压UP时，导电沟道被夹断，漏极电流趋近于零。
P沟道MOS管
如果在制造时，把衬底改为N型，漏极与源极为P型，则可构成P沟道增强型或耗尽型场效应管，其工作原理与N型沟道场效应管相同，但使用时UGG、UDD的极性应与N沟道MOS管相反，这里不再赘述。
三、N沟道增强型MOS管的输出特性曲线
MOS管的输出特性可以分为三个区：夹断区（截止区）、恒流区、可变电阻区。
- 可变电阻区：在图中，靠近纵轴的区域是可变电阻区。在此区域内，当uDS较小时，uDS与iD近似呈线性关系，MOS管相当于一个受uGS控制的可变电阻。公式表示为：
其中Rds是随uGS变化的等效电阻。
- 恒流区（饱和区）：在可变电阻区的右侧是恒流区。当uDS增大到一定程度时，iD不再随uDS增加而增加，而是保持恒定，形成恒流特性。此时iD主要由uGS决定，公式为：
（在饱和区）
其中IDss是uGS=0时的iD值。
夹断区（截止区）：在图的最左侧，靠近原点的区域是夹断区。当uGS（阈值电压）时，沟道没有形成，iD=0，MOS管处于截止状态。
预夹断轨迹：在可变电阻区与恒流区之间有一条预夹断轨迹。这条轨迹表示从可变电阻区过渡到恒流区的边界，此时uDS的值刚好使沟道在漏端夹断。
不同Ugs的特性
图中有几条不同uGS值对应的曲线。随着uGS的增大（如2V、4V等）：
在可变电阻区，曲线的斜率增大，意味着等效电阻减小。在恒流区，iD的值增大，因为iD与uGS成正比。例如，当uGS低于开启电压时，iD（在夹断区）。当uGS逐渐增大到2V和4V时，iD在恒流区逐渐增大，且曲线在可变电阻区的斜率也逐渐增大。
可变电阻区表现为受控电阻特性，恒流区表现为电流源特性，夹断区表现为截止特性，预夹断轨迹则是两个主要工作区域的过渡边界。这些特性使得MOS管在电子电路中得到广泛应用，如放大器、开关电路等。
四、MOS管的主要参数
直流参数
开启电压UT：当uDS为某一固定值（通常为10V）时，使iD开始出现（一般规定为200μA）时的uGS值。它是MOS管导通的临界栅源电压，开启电压的大小决定了MOS管能否导通。例如，在数字电路中，当uGS高于UT时，MOS管才能从截止状态进入导通状态，实现逻辑电平的转换。
直流输入电阻RGS：在栅源极之间加一定直流电压时，栅源极之间的直流电阻。由于栅极与沟道之间有一层绝缘的二氧化硅，所以RGS非常大，一般在10^9Ω以上。这使得MOS管的栅极电流极小，几乎不消耗输入信号的功率，非常适合作为电压控制型器件用于放大电路。
漏极饱和电流IDss：当uGS=0且uDS足够大（使MOS管进入饱和区）时的漏极电流。而对于增强型MOS管，IDss=0，因为在uGS=0时，增强型MOS管处于截止状态。
交流参数
跨导gm：漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压微变量之比，即gm=ΔiD/ΔuGS。跨导反映了栅源电压对漏极电流的控制能力。在放大电路中，gm越大，MOS管的电压放大倍数越高。例如，在共源放大电路中，电压放大倍数Av=-gmRL（RL为等效负载电阻），所以较大的gm有助于提高放大电路的增益。
极间电容：输入电容Ciss、输出电容Coss和反馈电容Cgd。这些电容是由于MOS管结构中存在的PN结电容和栅极与沟道之间的电容形成的。在高频电路中，这些电容会影响信号的传输和放大，导致放大倍数下降和信号失真。例如，当信号频率较高时，电容的容抗减小，会使信号在电容上产生较大的压降，从而影响电路的性能。
极限参数
最大漏极电流IDM：MOS管正常工作时允许通过的最大漏极电流。如果ID超过IDM，可能会导致MOS管过热甚至损坏，所以在设计电路时，要确保ID不超过此值。
最大漏源电压UDSM：漏源极之间所能承受的最大电压。当UDS超过UDSM时，可能会使MOS管的PN结发生击穿，导致器件失效。例如，在电源电路中，要根据电源电压合理选择MOS管，使其UDSM大于电源电压。
最大栅源电压UGSM：栅源极之间所能承受的最大电压。如果UGS超过UGSM，可能会使栅极氧化层被击穿，损坏MOS管。在实际应用中，要注意对栅极电压的控制，避免超过此极限值。
五、MOS管的特性
输入电阻高：由于栅极与沟道之间被绝缘层隔离，栅极电流极小，输入电阻可高达10^9Ω以上，这使得MOSFET对前级信号源的影响极小，能够有效地实现信号的放大和控制。
输出电阻低：其输出电阻相对较低，能够较好地驱动负载，在各种放大电路和开关电路中都有重要应用。
跨导特性：跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力，在一定的工作范围内，MOSFET的跨导基本保持恒定，这使得它在放大电路中能够提供较为稳定的增益。
开关特性好：MOSFET的开关速度快，能够在纳秒级甚至更短的时间内完成从截止到导通或从导通到截止的转换，因此在数字电路和高频电路中得到了广泛应用。
温度稳定性较好：与双极型晶体管相比，MOSFET的温度稳定性相对较好，其主要参数如阈值电压、跨导等随温度的变化较小，在较宽的温度范围内能够保持较为稳定的性能。
优点
功耗低：在静态时，由于栅极电流极小，MOSFET几乎不消耗功率；在动态工作时，其导通电阻较低，功耗也相对较小，因此非常适合于低功耗的应用场合，如便携式电子设备、电池供电的系统等。
易于集成：MOSFET的制造工艺与集成电路工艺兼容，可以方便地在同一芯片上集成大量的MOSFET以及其他电子元件，从而实现各种复杂的电路功能，如微处理器、存储器等，是现代大规模集成电路的基础之一。
驱动能力强：MOSFET的输出电流较大，能够直接驱动一些需要较大功率的负载，如电机、继电器等，在功率电子学领域有着广泛的应用。
噪声系数低：其噪声主要来源于热噪声和散粒噪声，由于栅极电流极小，散粒噪声可以忽略不计，因此MOSFET的噪声系数相对较低，在对噪声要求较高的电路中，如音频放大器、通信电路等，具有较好的性能表现。
缺点
输入电容较大：由于栅极与沟道之间存在绝缘层，形成了较大的栅源电容CGS和栅漏电容CGD，这会影响MOSFET的高频特性，在高频电路中需要考虑电容的充放电时间，可能会导致信号延迟和失真。
抗静电能力弱：MOSFET的输入电阻极高，栅极上的SiO₂绝缘层又很薄，容易受到外界静电的影响而产生击穿现象，导致器件损坏。因此，在使用和存储MOSFET时，需要采取相应的防静电措施，如将各极引线短接、使用防静电包装等。
阈值电压易受工艺影响：MOSFET的阈值电压与制造工艺密切相关，工艺参数的微小变化可能会导致阈值电压的较大波动，从而影响器件的性能一致性。在大规模集成电路中，需要严格控制工艺参数，以保证各个MOSFET的阈值电压在一定的范围内波动。
六、在电路中的作用
模拟电路：在音频放大器、射频放大器、运算放大器等模拟电路中，MOSFET作为放大器件，能够提供高增益、低噪声的性能，广泛应用于音响设备、通信设备、仪器仪表等领域。
数字电路：作为数字逻辑电路中的基本开关元件，MOSFET构成了各种逻辑门电路、触发器、计数器等，是现代计算机、数字通信、数字信号处理等领域的核心器件之一。其高速开关特性和低功耗特点，使得数字电路能够实现更高的工作频率和更低的能耗。
功率电子学：在电源管理电路、电机驱动电路、逆变电路等功率电子学领域，MOSFET作为功率开关器件，能够实现高效的电能转换和控制，广泛应用于各种电子设备的电源适配器、电动汽车、光伏发电系统等。
集成电路：MOSFET是现代集成电路的基础器件之一，大量的MOSFET集成在一起构成了各种复杂的芯片，如微处理器、存储器、图形处理器等。