讲一讲MOS的概念、工作原理、分类以及相关应用

集成电路按照所使用的半导体材料，分为硅IC和化合物IC两大类，硅IC可以分为MOS型和双极结型晶体管，两者都既可以用自由电子位载流子，又可以用空穴为载流子。MOS中有不同的类型，如以电子（负：negative）为载流子的“nMOS”，以空穴（正：positive）为载流子的“pMOS”,还有以双方组合（complementary）而成的“互补金属氧化物半导体晶体管（CMOS）”

今天我们围绕MOS这个概念展开，讲一讲MOS的概念、工作原理、分类以及相关应用。

一、什么是MOSFET？

MOS的英文全称就是MOSFET,其中后缀FET是场效应晶体管(Field Effect Transistor缩写，FET是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。

FET是具有源极（S），栅极（G），漏极（D）和主体（B）端子的四端子设备。FET通过向栅极施加电压来控制电流，从而改变漏极和源极之间的电导率。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。也就是说，FET在其操作中使用电子或空穴作为电荷载流子，但不能同时使用两者。

场效应管主要有两种类型，分别是结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）。

MOSFET的中文全称是金属-氧化物半导体场效应晶体管，由于这种场效应管的栅极被绝缘层隔离，所以又叫绝缘栅场效应管。

MOSFET由Mohamed M. Atalla和Dawon Kahng于1959年在贝尔实验室发明，并于1960年6月首次推出。它是现代电子学的基本组成部分，也是历史上最常用的器件，自1960年代以来，MOSFET的缩小和小型化一直在推动电子半导体技术的快速发展，并实现了诸如存储芯片和微处理器之类的高密度IC。MOSFET被认为是电子行业的“主力军”。

二、MOSFET的结构

通常，MOSFET的主体B与源极S端子相连，因此形成了一个三端设备，一般结构如下：

上图是原理性的，原理上源极和漏极确实是对称且不区分的。但在实际应用中，厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管，起保护作用，正是这个二极管决定了源极和漏极，这样，封装也就固定了，便于实用。

根据上述MOSFET结构，MOSFET的功能取决于沟道宽度中发生的电气变化以及载流子（空穴或电子）的流动。电荷载流子通过源极端子进入通道，并通过漏极离开。

沟道的宽度由称为栅极的电极上的电压控制，该电极位于源极和漏极之间。它与极薄的金属氧化物层附近的通道绝缘。

带有端子的MOSFET

相关概念解释

1：P or N

“P”表示正电的意思，取自英文Positive的第一个字母。在这类半导体中，参与导电的 (即电荷载体) 主要是带正电的空穴，这些空穴来自半导体中的受主。

“N”表示负电的意思，取自英文Negative的第一个字母。在这类半导体中，参与导电的 (即导电载体) 主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的施主。

掺杂和缺陷均可造成导带中电子浓度的增高. 对于锗、硅类半导体材料，掺杂Ⅴ族元素(磷、砷、锑等)，当杂质原子以替位方式取代晶格中的锗、硅原子时，可提供除满足共价键配位以外的一个多余电子，这就形成了半导体中导带电子浓度的增加，该类杂质原子称为施主。

2：金属氧化膜

图中有指示，这个膜是绝缘的，用来电气隔离，使得栅极只能形成电场，不能通过直流电，因此是用电压控制的。在直流电气上，栅极和源漏极是断路。这个膜越薄，电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是：越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵。

3：沟道

中间一个窄长条就是沟道，使得左右两块极连在一起，因此mos管导通后是电阻特性，因此它的一个重要参数就是导通电阻，选用mos管必须清楚这个参数是否符合需求。

三、MOSFET的工作原理及分类    

MOS 管的工作原理  

以增强型 MOS 管为例，我们先简单来看下 MOS 管的工作原理。  

由结构我们可以看到 MOS 管类似三极管，也是背靠背的两个PN结！三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制电子之间的导通，MOS 管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通DS之间。  

 

如上图，在开启电压不足时，N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。给栅极提供正向电压后，P区的少子（电子）会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。这样DS之间就导通了。  

MOS 管的分类  

MOSFET可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。  

▲ MOSFET种类与电路符号

对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。  

 

概念1：MOSFET耗尽型和增强型的区别：

耗尽模式

当栅极端子两端没有电压时，通道将显示其最大电导。而当栅极端子两端的电压为正或负时，则沟道电导率会降低。

 

增强模式

当栅极端子两端没有电压时，该器件将不导通。当栅极端子两端的电压最大时，该器件将显示出增强的导电性。

 

 

相对于耗尽型，增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通，如图，栅极电压越低，则p型源、漏极的正离子就越靠近中间，n衬底的负离子就越远离栅极，栅极电压达到一个值，叫阀值或坎压时，由p型游离出来的正离子连在一起，形成通道，就是图示效果。


 

 

因此，容易理解，栅极电压必须低到一定程度才能导通，电压越低，通道越厚，导通电阻越小。由于电场的强度与距离平方成正比，因此，电场强到一定程度之后，电压下降引起的沟道加厚就不明显了，也是因为n型负离子的“退让”是越来越难的。耗尽型的是事先做出一个导通层，用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通。但这种管子一般不生产，在市面基本见不到。所以，大家平时说mos管，就默认是增强型的。  

概念2：P沟道MOSFET和N沟道MOSFET的区别：

P沟道MOSFET

P沟道MOSFET具有位于源极端子和漏极端子之间的P沟道区域。它是一个四端子设备，其端子分别为栅极，漏极，源极和主体。漏极和源极是重掺杂的p +区，主体或衬底为n型。电流流向带正电的空穴的方向。  

当我们在栅极端施加具有排斥力的负电压时，存在于氧化层下方的电子将被向下推入基板。耗尽区由与施主原子相关的结合正电荷构成。负栅极电压还会将空穴从p +源极和漏极区吸引到沟道区中。  

耗尽模式P通道

P通道增强模式  

N沟道MOSFET

 N沟道MOSFET具有位于源极和漏极端子之间的N沟道区域。它是一个四端子设备，其端子分别为栅极，漏极，源极，主体。在这种场效应晶体管中，漏极和源极是重掺杂的n +区域，衬底或主体是P型的。  

由于带负电的电子，在这种类型的MOSFET中发生电流流动。当我们在栅极端子上施加具有排斥力的正电压时，则存在于氧化层下方的空穴将被向下推入基板。耗尽区由与受体原子相关的结合负电荷构成。  

在电子到达时，形成通道。正电压还将电子从n +源极和漏极区吸引到沟道中。现在，如果在漏极和源极之间施加电压，电流将在源极和漏极之间自由流动，而栅极电压控制着沟道中的电子。如果我们施加负电压，则将在氧化层下方形成一个空穴通道，而不是正电压。

 

增强模式N通道  

MOS管导通特性  

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。  

NMOS的特性，Vgs(电压)大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs（电压）小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。   但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。  

不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。  

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。  

四、MOSFET的工作区定义

MOSFET工作区

在最一般的情况下，MOSFET设备操作主要发生在三个区域，这些区域如下：

截止区域–这是设备将处于关闭状态且零电流流过的区域。在此，该设备用作基本开关，并在需要用作电气开关时使用。

饱和区域–在该区域中，器件的漏极至源极电流值将保持恒定，而无需考虑漏极至源极两端的电压升高。当漏极到源极端子之间的电压增加超过夹断电压值时，只会发生一次。在这种情况下，该设备用作闭合开关，流过漏极到源极端子的电流达到饱和水平。因此，当设备应该进行切换时，选择饱和区域。

线性/欧姆区域–该区域是漏极至源极两端的电流随漏极至源极路径两端电压的增加而增强的区域。MOSFET器件在此线性区域中起作用时，它们将执行放大器功能。

具体如下：

 

Vgs 对MOS 管的开启作用，一定范围内 Vgs>Vth，Vds模拟电路中控制晶体管工作在饱和区或者线性电阻区。Vth是阈值电压）   Vgs 为常数时，Vds 上升，Id 近似线性上升，表现为一种电阻特性。

Vds 为常数时，Vgs 上升，Id 近似线性上升，表现出一种压控电阻的特性。 即曲线左边

2、Vds对MOS管沟道的控制

当 Vgs>Vth，VdsVgs-Vth 后，我们可以看到因为DS之间的电场开始导致右侧的沟道变窄，电阻变大。所以电流Id增加开始变缓慢。当Vds增大一定程度后，右沟道被完全夹断了！

此时DS之间的电压都分布在靠近D端的夹断耗尽区，夹断区的增大即沟道宽度W减小导致的电阻增大抵消了Vds对Id的正向作用，因此导致电流Id几乎不再随Vds增加而变化。此时的D端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到S端！

这个区域为 MOS 管的恒流区，也叫饱和区，放大区。

但是因为有沟道调制效应导致沟道长度 L 有变化，所以曲线稍微上翘一点。 重点备注：MOS 管与三极管的工作区定义差别 三极管的饱和区：输出电流 Ic 不随输入电流 Ib 变化。 MOS 管的饱和区：输出电流 Id 不随输出电压 Vds 变化。

以上是关于MOSFET的基本概念科普，关于它的应用也有很多知识点，因为篇幅原因，我们随后再出续集介绍。



审核编辑：刘清