司坦森/STANSON 細說MOS管

時間：2020-03-10作者：司坦森集成電路（深圳）有限公司瀏覽：800

一、什么是MOS管？

MOS管全稱金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或稱金屬—絕緣體—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，英文名metal oxide semiconductor，屬于場效應(yīng)管中的絕緣柵型，因此，MOS管有時候又稱為絕緣柵場效應(yīng)管。

二、MOS管的構(gòu)造。

MOS管這個器件有兩個電極，分別是漏較D和源較S，無論是圖一的N型還是圖二的P型都是一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+/P+區(qū)，并用金屬鋁引出漏較D和源較S。然后在漏較和源較之間的N/P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（Si02）絕緣層膜，在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極，作為柵較G。這就構(gòu)成了一個N/P溝道（NPN型）增強型MOS管。
 

三、MOS管的特性。

MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好；制造工藝簡單、輻射強，因而通常被用于放大電路或開關(guān) 電路。
 

四、MOS管的電壓極性和符號規(guī)則:

圖一是N溝道MOS管的符號，圖中D是漏較，S是源較，G是柵較，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是P溝道的MOS管。

在實際MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源較連接，所以在符號的規(guī)則中；表示襯底的箭頭也必須和源較相連接，以區(qū)別漏較和源較。圖三是P溝道MOS管的符號。

MOS管應(yīng)用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏較D接正極，源較S接負極，柵較G正電壓時導(dǎo)電溝道建立，N溝道MOS管開始工作,如圖二所示。同樣P道的類似PNP晶體三極管，漏較D接負極，源較S接正極，柵較G負電壓時，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開始工作,如圖圖四所示；
 

五、MOS管的工作原理。

從上圖一可以看出增強型MOS管的漏較D和源較S之間有兩個背靠背的PN結(jié)。

當(dāng)柵-源電壓VGS=0時，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源較間沒有導(dǎo)電溝道（沒有電流流過），所以這時漏較電流ID=0。

此時若在柵-源較間加上正向電壓，圖二所示，即VGS＞0，則柵較和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個柵較指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵較所加電壓VGS無法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個電容，VGS等效是對這個電容充電，并形成一個電場，隨著VGS逐漸升高，受柵較正電壓的吸引，在這個電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個從漏較到源較的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT（一般約為 2V）時，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏較電流ID，我們把開始形成溝道時的柵-源較電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示?？刂茤泡^電壓VGS的大小改變了電場的強弱，就可以達到控制漏較電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個重要特點，所以也稱之為場效應(yīng)管。
 

六：MOS的優(yōu)勢：

1、場效應(yīng)管的源較S、柵較G、漏較D分別對應(yīng)于三極管的**較e、基較b、集電極c，它們的作用相似，圖一所示是N溝道MOS管和NPN型晶體三極管引腳，圖二所示是P溝道MOS管和PNP型晶體三極管引腳對應(yīng)圖。

2、場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制ID，普通的晶體三極管是電流控制電流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系數(shù)是（跨導(dǎo)gm）當(dāng)柵較電壓改變一伏時能引起漏較電流變化多少安培。晶體三極管是電流放大系數(shù)（貝塔β）當(dāng)基較電流改變一毫安時能引起集電極電流變化多少。

3、場效應(yīng)管柵較和其它電極是絕緣的，不產(chǎn)生電流；而三極管工作時基較電流IB決定集電極電流IC。因此場效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高的多。

4、場效應(yīng)管只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電；三極管有多數(shù)載流子和少數(shù)載流子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少數(shù)載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好。

5、場效應(yīng)管在源較未與襯底連在一起時，源較和漏較可以互換使用，且特性變化不大，而三極管的集電極與**較互換使用時，其特性差異很大，b 值將減小很多。

6、場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級及要求信噪比較高的電路中要選用場效應(yīng)管。

7、場效應(yīng)管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但是場效應(yīng)管制造工藝簡單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優(yōu)秀特性，在各種電路及應(yīng)用中正逐步的取代普通晶體三極管，目前的大規(guī)模和**大規(guī)模集成電路中，已經(jīng)廣泛的采用場效應(yīng)管。

8、輸入阻抗高，驅(qū)動功率小：由于柵源之間是二氧化硅（SiO2）絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。由于輸入阻抗高，對激勵信號不會產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動，所以驅(qū)動功率較?。`敏度高）。一般的晶體三極管必需有基較電壓Vb，再產(chǎn)生基較電流Ib，才能驅(qū)動集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動是需要功率的（Vb×Ib）。

9、開關(guān)速度快:MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系，由于輸入容性特性的存在，使開關(guān)的速度變慢，但是在作為開關(guān)運用時，可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻，加快開關(guān)速度（輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動，加快了容性的充放電的時間）。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時間在10—100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開關(guān)速度的提高（目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以輕易的做到100K/S～150K/S,這對于普通的大功率晶體三極管來說是難以想象的）。

10、**次擊穿：由于普通的功率晶體三極管具有當(dāng)溫度上升就會導(dǎo)致集電極電流上升（正的溫度～電流特性）的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會導(dǎo)致溫度進一步的上升，溫度進一步的上升，較進一步的導(dǎo)致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步下降，這就形成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)下降較終導(dǎo)致晶體三極管的擊穿，這是一種導(dǎo)致電視機開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破環(huán)性的熱電擊穿現(xiàn)象，也稱為二次擊穿現(xiàn)象。MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當(dāng)管溫度（或環(huán)境溫度）上升時，溝道電流IDS反而下降。例如；一只IDS=10A的MOS FET開關(guān)管，當(dāng)VGS控制電壓不變時，在250C溫度下IDS=3A，當(dāng)芯片溫度升高為1000C時，IDS降低到2A，這種因溫度上升而導(dǎo)致溝道電流IDS下降的負溫度電流特性，使之不會產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，可見采用MOS管作為開關(guān)管，其開關(guān)管的損壞率大幅度的降低，近兩年電視機開關(guān)電源采用MOS管代替過去的普通晶體三極管后，開關(guān)管損壞率大大降低也是一個較好的證明。

11、MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性：普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通是，幾乎是直通，有一個較低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個壓降，那么也就是；普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個阻值較小的電阻，但是這個等效的電阻是一個非線性的電阻（電阻上的電壓和流過的電流不能符合歐姆定律），而MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個阻值較小的電阻，但是這個電阻等效一個線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流符合歐姆定律的關(guān)系，電流大壓降就大，電流小壓降就小，導(dǎo)通后既然等效是一個線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當(dāng)這樣兩個電阻并聯(lián)在一起，就有一個自動電流平衡的作用，所以MOS管在一個管子功率不夠的時候，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不必另外增加平衡措施（非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的）。

MOS管和普通的晶體三極管相比，有以上11項優(yōu)點，就足以使MOS管在開關(guān)運用狀態(tài)下完全取代普通的晶體三極管。目前的技術(shù)MOS管道VDS能做到1000V，只能作為開關(guān)電源的開關(guān)管應(yīng)用，隨著制造工藝的不斷進步，VDS的不斷提高，取代顯像管電視機的行輸出管也是近期能實現(xiàn)的。

關(guān)于MOS管的更多詳細內(nèi)容，請期待下一篇MOS管百科知識：《細說MOS管二》

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