详解MOS管的分类、特性及工作原理

MOS管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体三端器件，很多特性和应用方向都与三极管类似。这种器件不仅体积小、质量轻、耗电省、寿命长、而且还具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强等优点，应用广泛，特别是在大规模的集成电路中。

 

 

MOS管结构和分类

根据导电沟道的不同，MOS管可分为N沟道和P沟道两类，每一类又分为增强型和耗尽型两种。所以MOS管可分为四大类：N沟道消耗型、N沟道增强型、P沟道消耗型、 P沟道增强型。现在以N沟道器件为例来介绍一下MOS管的工作原理。

如上图所示，N沟道增强型MOS管的结构示意图。它以低掺杂的P型硅材料作衬底，在上面制造两个高掺杂的N型区，分别引出两个电极，作为源极s和漏极d，在P型衬底的表面覆盖一层很薄的氧化膜（二氧化硅）绝缘层，并引出电极作为栅极g。这种场效应管的栅极g和P型半导体衬底、漏极d及源极s之间都是绝缘的，所以也称为绝缘栅场效应管。

 

MOS管工作原理

MOS管的基本工作原理是利用栅源电压去控制漏极电流，但漏极和源极之间不存在原始导电沟道，所以工作时还需要先建立。

 

①建立导电沟道

如图所示，当外加正向的栅源电压VGS>0时，在栅极下方的氧化层上出现上正下负的电场，该电场将吸引P区中的自由电子，使其在氧化层下方聚集，同时会排斥P区中的空穴，使之离开该区域。VGS越大电场强度越大，这种效果越明显。当VGS达到VT时，该区域聚集的自由电子浓度足够大，而形成一个新的N型区域，像一座桥梁把漏极和源极连接起来。该区域就称为N型导电沟道，简称N沟道，而Vt就称为开启电压，VGS>VT是建立该导电沟道的必备条件。

 

②建立漏极电流

当沟道建立之后，如果漏极之间存在一定的驱动电压VDS。当漏极电压VDS出现之后，漏极电位高于源极，故VGS>VGD，所以造成氧化层上的电场分布不均匀，靠近源极强度大，靠近漏极强度弱，相应的导电沟道也就随之变化：靠近源极处宽，靠近漏极处窄。

 

所以，MOS管的漏极电流Id主要受电压VGS和VDS的影响，前者通过控制导电沟道来影响Id，后者直接作为驱动来影响Id。但需要再次强调，如果导电沟道没有建立的话，只有VDS，漏极电流是不会出现的。

 

MOS管主要特性

①高输入阻抗：MOS管栅电极和源漏区之间有绝缘层，只有微弱的栅电流，所以MOS管的输入阻抗很高，接近于无穷大。

 

②低输出阻抗：由于MOS管是电压控制器件，其源漏间电流可随输入电压的改变而改变，所以其输出阻抗很小。

 

③恒流性：MOS管在饱和区工作时，即使源漏电压有所变化，其电流也几乎不变，因此MOS管具有很好的恒流性。
 

 

MOS管常用参数

Vgs：栅源极最大驱动电压，MOS管的一个极限参数，表示MOS管所能承受的最大驱动电压。一旦驱动电压超过这个极限值，会对MOS管的栅极氧化层造成永久性伤害。

 

VDS：漏源电压，表示MOS管漏极与源极之间能够承受的最大电压值。该参数与结温有关系，通常结温越高，VDS值最大。

 

RDS(on)：漏源导通电阻，是MOS管充分导通时漏-源极之间的等效电阻。该参数与结温和驱动电压Vgs相关。在一定范围内，结温越高，Rds越大；驱动电压越高，Rds越小。

 

MOS管处于导通状态下的阻抗。导通阻抗越大，开启状态时的损耗越大。因此，要尽量减小MOS管的导通阻抗。

导通时的功耗：
 

Qg：栅极电荷，是在驱动信号作用下，栅极电压从0V上升至终止电压所需的充电电荷。也就是MOS管从截止状态到完全导通状态时驱动电路所需提供的电荷，是一个用于评估MOS管的驱动电路驱动能力的主要参数。
 

 

Id：漏极电流，它表示当壳温处于某值时，如果MOS管工作电流为上述最大漏极电流，则结温会达到最大值。该参数还与器件封装和环境温度有关。

 

Eoss：输出电容能量，表示输出电容Coss在MOS管存储的能量大小。

 

根据MOS管的工作原理和特性，不难发现，它与三极管特性极其相似，都可以作为放大器件使用，如构成反向放大器、电压跟随器和电流跟随器等，两种器件构成的放大电路各有优点，MOS管放大电路输入阻抗高、噪声低、三极管放大电路放大能力强，实际应用中常常都是把两者结合使用。