MOS管类型-MOS管类型作用及工作原理解析

MOS管，即金属（Metal）—氧化物（Oxide）—半导体（Semiconductor）场效应晶体管，是一种应用场效应原理工作的半导体器件；和普通双极型晶体管相比，MOS管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大、功耗小、易于集成等优势，在开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通信电源等高频电源领域得到了越来越普遍的应用。

MOS管的类型及结构

MOS管是FET的一种（另一种为JFET结型场效应管），主要有两种结构形式：N沟道型和P沟道型；又根据场效应原理的不同，分为耗尽型（当栅压为零时有较大漏极电流）和增强型（当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流）两种。因此，MOS管可以被制构成P沟道增强型、P沟道耗尽型、N沟道增强型、N沟道耗尽型4种类型产品。

图表1  MOS管的4种类型

每一个MOS管都提供有三个电极：Gate栅极（表示为“G”）、Source源极（表示为“S”）、Drain漏极（表示为“D”）。接线时，对于N沟道的电源输入为D，输出为S；P沟道的电源输入为S，输出为D；且增强型、耗尽型的接法基本一样。

图表2  MOS管内部结构图

从结构图可发现，N沟道型场效应管的源极和漏极接在N型半导体上，而P沟道型场效应管的源极和漏极则接在P型半导体上。场效应管输出电流由输入的电压（或称场电压）控制，其输入的电流极小或没有电流输入，使得该器件有很高的输入阻抗，这也是MOS管被称为场效应管的重要原因。

MOS管工作原理

一、N沟道增强型场效应管原理

N沟道增强型MOS管在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极（漏极D、源极S）；在源极和漏极之间的SiO2绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G；P型半导体称为衬底，用符号B表示。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以NMOS又被称为绝缘栅型场效应管。

当栅极G和源极S之间不加任何电压，即VGS=0时，由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底，相当于两个背靠背连接的PN结，它们之间的电阻高达1012Ω，即D、S之间不具备导电的沟道，所以无论在漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流ID。

图表3  N沟道增强型MOS管结构示意图

当将衬底B与源极S短接，在栅极G和源极S之间加正电压，即VGS＞0时，如图表3（a）所示，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层。

如果进一步提高VGS电压，使VGS达到某一电压VT时，P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的N型层，称为“反型层”，如图表3（b）所示。

反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通，构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的VGS值称为阈值电压或开启电压，用VGS（th）表示。显然，只有VGS＞VGS（th）时才有沟道，而且VGS越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电能力越强；“增强型”一词也由此得来。

图表4  耗尽层与反型层产生的结构示意图

在VGS＞VGS（th）的条件下，如果在漏极D和源极S之间加上正电压VDS，导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区，因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小，靠近漏区一端的电压VGD最小，其值为VGD=VGS－VDS，相应的沟道最薄；靠近源区一端的电压最大，等于VGS，相应的沟道最厚。

这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。随着VDS的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。

当VDS增大到某一临界值，使VGD≤VGS（th）时，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”，如图表4（a）所示。继续增大VDS[即VDS＞VGS－VGS（th）]，夹断点向源极方向移动，如图表4（b）所示。

尽管夹断点在移动，但沟道区（源极S到夹断点）的电压降保持不变，仍等于VGS－VGS（th）。因此，VDS多余部分电压[VDS－（VGS－VGS（th））]全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极。

图表5  预夹断及夹断区形成示意图

二、P沟道增强型场效应管原理

P沟道增强型MOS管因在N型衬底中生成P型反型层而得名，其通过光刻、扩散的方法或其他手段，在N型衬底（基片）上制作出两个掺杂的P区，分别引出电极（源极S和漏极D），同时在漏极与源极之间的SiO2绝缘层上制作金属栅极G。其结构和工作原理与N沟道MOS管类似；只是使用的栅-源和漏-源电压极性与N沟道MOS管相反。

在正常工作时，P沟道增强型MOS管的衬底必须与源极相连，而漏极对源极的电压VDS应为负值，以保证两个P区与衬底之间的PN结均为反偏，同时为了在衬底顶表面附近形成导电沟道，栅极对源极的电压也应为负。

图表6  P沟道增强型MOS管的结构示意图

当VDS=0时。在栅源之间加负电压比，由于绝缘层的存在，故没有电流，但是金属栅极被补充电而聚集负电荷，N型半导体中的多子电子被负电荷排斥向体内运动，表面留下带正电的离子，形成耗尽层。

随着G、S间负电压的增加，耗尽层加宽，当VDS增大到一定值时，衬底中的空穴（少子）被栅极中的负电荷吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成一个P型薄层，称反型层，如图表6（2）所示。

这个反型层就构成漏源之间的导电沟道，这时的VGS称为开启电压VGS（th），达到VGS（th）后再增加，衬底表面感应的空穴越多，反型层加宽，而耗尽层的宽度却不再变化，这样我们可以用VGS的大小控制导电沟道的宽度。

图表7  P沟道增强型MOS管耗尽层及反型层形成示意图

当VDS≠0时。导电沟道形成以后，D、S间加负向电压时，那么在源极与漏极之间将有漏极电流ID流通，而且ID随VDS而增，ID沿沟道产生的压降使沟道上各点与栅极间的电压不再相等，该电压削弱了栅极中负电荷电场的作用，使沟道从漏极到源极逐渐变窄，如图表7（1）所示。

当VDS增大到使VGD=VGS（即VDS=VGS-VGS（TH）），沟道在漏极附近出现预夹断，如图表7（2）所示。再继续增大VDS，夹断区只是稍有加长，而沟道电流基本上保持预夹断时的数值，其原因是当出现预夹断时再继续增大VDS，VDS的多余部分就全部加在漏极附近的夹断区上，故形成的漏极电流ID近似与VDS无关。

图表8  P沟道增强型MOS管预夹断及夹断区形成示意图

三、N沟道耗尽型场效应管原理

N沟道耗尽型MOS管的结构与增强型MOS管结构类似，只有一点不同，就是N沟道耗尽型MOS管在栅极电压VGS=0时，沟道已经存在。这是因为N沟道是在制造过程中采用离子注入法预先在D、S之间衬底的表面、栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子，该沟道亦称为初始沟道。

当VGS＝0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道，所以只要有漏源电压，就有漏极电流存在；当VGS＞0时，将使ID进一步增加；VGS＜0时，随着VGS的减小，漏极电流逐渐减小，直至ID＝0。对应ID＝0的VGS称为夹断电压或阈值电压，用符号VGS（off）或Up表示。

由于耗尽型MOSFET在VGS=0时，漏源之间的沟道已经存在，所以只要加上VDS，就有ID流通。如果增加正向栅压VGS，栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子，沟道变厚，沟道的电导增大。

如果在栅极加负电压（即VGS＜0），就会在相对应的衬底表面感应出正电荷，这些正电荷抵消N沟道中的电子，从而在衬底表面产生一个耗尽层，使沟道变窄，沟道电导减小。当负栅压增大到某一电压VGS（off）时，耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断（耗尽），这时即使VDS仍存在，也不会产生漏极电流，即ID=0。

图表9  N沟道耗尽型MOS管结构（左）及转移特性（右）示意图

四、P沟道耗尽型场效应管原理

P沟道耗尽型MOS管的工作原理与N沟道耗尽型MOS管完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性也不同。

五、耗尽型与增强型MOS管的区别

耗尽型与增强型的主要区别在于耗尽型MOS管在G端（Gate）不加电压时有导电沟道存在，而增强型MOS管只有在开启后，才会出现导电沟道；两者的控制方式也不一样，耗尽型MOS管的VGS（栅极电压）可以用正、零、负电压控制导通，而增强型MOS管必须使得VGS>VGS（th）（栅极阈值电压）才行。

由于耗尽型N沟道MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的Na+或K+正离子（制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子），当VGS=0时，这些正离子产生的电场能在P型衬底中感应出足够的电子，形成N型导电沟道；当VGS>0时，将产生较大的ID（漏极电流）；如果使VGS<0，则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄，从而使ID减小。

这些特性使得耗尽型MOS管在实际应用中，当设备开机时可能会误触发MOS管，导致整机失效；不易被控制，使得其应用极少。

因此，日常我们看到的NMOS、PMOS多为增强型MOS管；其中，PMOS可以很方便地用作高端驱动。不过PMOS由于存在导通电阻大、价格贵、替换种类少等问题，在高端驱动中，通常还是使用NMOS替代，这也是市面上无论是应用还是产品种类，增强型NMOS管最为常见的重要原因，尤其在开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS管。

（一）MOS管重要特性

1、导通特性

导通的意义是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就会导通，适用于源极接地时的情况（低端驱动），只需栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就会导通，适用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。

2、损失特性

不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，电流就会被电阻消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。小功率MOS管导通电阻一般在几毫欧至几十毫欧左右，选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。

MOS管在进行导通和截止时，两端的电压有一个降落过程，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，这称之为开关损失。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。

导通瞬间电压和电流的乘积越大，构成的损失也就越大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

3、寄生电容驱动特性

跟双极性晶体管相比，MOS管需要GS电压高于一定的值才能导通，而且还要求较快的导通速度。在MOS管的结构中可以看到，在GS、GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，理论上就是对电容的充放电。

对电容的充电需要一个电流，由于对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一个要留意的是可提供瞬间短路电流的大小；第二个要留意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要栅极电压大于源极电压。

而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极导通电压要比VCC高4V或10V，而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。

图表10  4种MOS管特性比较示意图

4、寄生二极管

漏极和源极之间有一个寄生二极管，即“体二极管”，在驱动感性负载（如马达、继电器）应用中，主要用于保护回路。不过体二极管只在单个MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。

图表11  寄生二极管位置示意图

5、不同耐压MOS管特点

不同耐压的MOS管，其导通电阻中各部分电阻比例分布不同。如耐压30V的MOS管，其外延层电阻仅为总导通电阻的29%，耐压600V的MOS管的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。

不同耐压MOS管的区别主要在于，耐高压的MOS管其反应速度比耐低压的MOS管要慢，因此，它们的特性在实际应用中也表现出了不一样之处，如耐中低压MOS管只需要极低的栅极电荷就可以满足强大电流和大功率处理能力，除开关速度快之外，还具有开关损耗低的特点，特别适应PWM输出模式应用；而耐高压MOS管具有输入阻抗高的特性，在电子镇流器、电子变压器、开关电源方面应用较多。

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