MOS学习笔记-模型及工作原理

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最近在公司做电动车控制器坏机解析的工作中碰到了一些MOS损坏的机子。在以前的工作中虽然对MOS有一些应用,但是其中的工作原理还没有仔细的学习过,希望能通过学习能对它有更深的理解同时也便于我的解析工作。接下来分享一下我对MOS的一些学习笔记:

  • 在实际应用中最常使用的是沟道型MOS,根据导电载流子的带电极性又分为N沟道和P沟道

放大电路

  • 以下是两种MOS的模型

放大电路放大电路

  • 举NMOS为例

它的结构是在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏—源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS管。(MOS管的源极和衬底通常是接在一起且栅极与其它电极间绝缘)

放大电路

对于这个模型我的见解如下

  • 抛开其他外围,就看g、s、d、b,我们希望S和D之间有电流流过,那么就得在DS之间加个电压Vds。可是由于衬底和源区漏区形成的两个背对的PN结,无论Vds极性如何,总有一个是反偏,电流就无法流不过来。
  • 此时施加一个由栅极向衬底的电场--Vgs,当这个电压大到一定程度--Vgs(th),就会把b区慢慢往下推,形成导电沟道---N沟道。

假设在Vds恒定,在其作用下电子流动形成电流Ids。Vds越大,场强越强(电场强度=电压/电场宽度),推动电子的能力就越强。同理Vgs越大,推出来的沟道越宽、电场浓度越大。Ids也就越大。当然,这个电流也不会无穷增大,到一定的程度会达到一个饱和状态。

放大电路

对于这个电流饱和状态,我是这样理解的。假设沟道是如下图中间的区域,左边0电位,右边是Vds,那么在金属极板上由于是一个平面的没有电势差,可是由于Vds>0,左边压差就是Vgs,右端由于Vgs是加在Vds上,这样右边的通道肯定比左边窄,窄的程度取决于Vds。

放大电路

基于MOS的饱和特性(复杂的物理模型),无论如何都会有电流流过,也就是说沟道不会窄到闭合。在图中慢慢变成一个倒三角,也就是说达到饱和后无论怎么加大Vds,沟道将缩小到一个程度,此时流过的电流恒定。

小结 :简单来说就是当Vgs >Vgs(th) 时,MOS就会开始导通,如果在D极和S极之间加上一定的电压,就会有电流Id产生。在一定的Vds 下,D极电流Id 的大小是与G极电压Vgs 有关的。

  • MOS的特性:

我们来看一下MOS管的输出特性曲线,基本可以分为四个区:截止区、恒流区、线性电阻区、击穿区。(不同的Vgs>Vgs_th且恒定的条件下,Id和Vds所构成的关系曲线),这个曲线或许能比较直观的理解整过程

放大电路

线性电阻区:V ds很小时,沟道与其值无关,I d 随着V gs的增加而上升,两者基本上是线性关系 。所以在该区MOS管相当就是一个由V gs 控制的可变电阻,当V gs 不同对应的阻值就会不同。(随着Vgs增大,沟道阻抗增加,曲线变缓当达到饱和时,沟道几乎被夹断--图中可看到预夹断的轨迹)

恒流区:即满足V gs ≥V gs(th) ,且V ds ≥V gs -V gs(th) 。此时随着沟道饱和不断左移,漏极附近只剩下耗尽区,MOS管进入饱和状态。电流Id基本不随V ds 变化,其值大小主要决定于电压V gs ,用MOS来做放大电路时就是工作在饱和区。(MOS管输出特性的恒流区(饱和区),相当于三极管的放大区)

击穿区:当Vds持续增大到BVds,PN结承受太大的反向电压而被击穿,漏极就会发生雪崩效应,ID急剧的增大。(工作时应该避免让管子工作在该区域)

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