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    • 發(fā)布時間：2024-07-13 16:14:27
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    MOS管,場效應管工作原理與反向?qū)☉媒榻B
    一、電子和空穴
    半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴。
    自由電子就是指不被約束在某一個原子內(nèi)部的電子。這種電子在受到外電場或外磁場的作用時，能夠在物質(zhì)中或真空中運動。
    空穴又稱電洞（Electron hole），在固體物理學中指共價鍵上流失一個電子，最后在共價鍵上留下空位的現(xiàn)象。即共價鍵中的一些價電子由于熱運動獲得一些能量，從而擺脫共價鍵的約束成為自由電子，同時在共價鍵上留下空位，我們稱這些空位為空穴。
    N型半導體（N為Negative的字頭，由于電子帶負電荷而得此名）：摻入少量雜質(zhì)磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導體就成為了含電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電。
    P型半導體（P為Positive的字頭，由于空穴帶正電而得此名）：摻入少量雜質(zhì)硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個外層電子與周圍的半導體原子形成共價鍵的時候，會產(chǎn)生一個“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。
    二、MOS管的符號
    場效應管工作原理 反向?qū)☉? src=
    上圖為N溝道MOS管與P溝道MOS管，兩者在符號上的差異在于中間的箭頭與體二極管的方向不同。中間的箭頭方向含義為導通時半導體內(nèi)自由電子的移動方向，在后文會詳細說明。由于耗盡型MOS管如今應用場景已不多，在此不做介紹。
    三、MOS管的結(jié)構(gòu)
    以增強型NMOS為例，下圖為增強型NMOS的結(jié)構(gòu)圖。
    場效應管工作原理 反向?qū)☉? src=
    對于增強型NMOS而言，源極和漏極連接部分為N型半導體，帶有多數(shù)載流子自由電子和少數(shù)載流子空穴。柵極連接一塊金屬，金屬帶有很多自由電子，下方是一塊絕緣體（二氧化硅），故MOS稱為絕緣柵型場效應管。襯底連接一塊P型半導體（通道區(qū)也屬于P型襯底的部分），帶有多數(shù)載流子空穴和少數(shù)載流子自由電子。
    增強型PMOS的結(jié)構(gòu)圖與其十分類似，但未找到類似示意圖，下文以文字形式解釋。
    四、MOS管的工作原理
    對于增強型NMOS而言，源極和漏極連接部分為N型半導體，帶有多數(shù)載流子自由電子和少數(shù)載流子空穴，自由電子經(jīng)擴散運動離開N型半導體，進入P型半導體，此時半導體帶正電。柵極連接一塊金屬，金屬帶有很多自由電子，下方是一塊絕緣體（二氧化硅），故MOS稱為絕緣柵型場效應管。襯底連接一塊P型半導體，帶有多數(shù)載流子空穴和少數(shù)載流子自由電子。
    當漏源電壓（VDS）連接在漏極和源極之間時，正電壓施加到漏極，負電壓施加到源極。在這里，漏極的 PN 結(jié)是反向偏置的，而源極的 PN 結(jié)是正向偏置的。在這個階段，漏極和源極之間不會有任何電流流動。
    如果我們將正電壓 (VGS ) 施加到柵極端子，由于靜電引力，P襯底中的少數(shù)電荷載流子（電子）將開始積聚在柵極觸點上，從而在兩個 n+ 區(qū)域之間形成導電橋。NMOS符號中的箭頭指向即此處的自由電子流向。由于N型半導體中多數(shù)載流子為自由電子，故由自由電子形成的導電溝道稱為N溝道。
    在柵極接觸處積累的自由電子的數(shù)量取決于施加的正電壓的強度。施加的電壓越高，由于電子積累而形成的 n 溝道寬度越大，這最終會增加電導率，并且漏極電流 (ID ) 將開始在源極和漏極之間流動。
    當沒有電壓施加到柵極端子時，除了由于少數(shù)電荷載流子而產(chǎn)生的少量電流外，不會有任何電流流動。mos管開始導通的最小電壓稱為閾值電壓。
    PMOS的原理和NMOS十分相近。不同之處在于半導體放置和導電載流子。其源極和漏極連接部分為P型半導體，襯底連接一塊N型半導體。當我們將負電壓加到柵極和源極（一般源極和襯底相連，相當于加到柵極和襯底）時，N型半導體中的少數(shù)載流子（空穴）將開始積聚在柵極觸點上，從而在兩個P-區(qū)域之間形成導電橋。PMOS符號中的箭頭指向即此處的自由電子流向。由于P型半導體中多數(shù)載流子為空穴，故由空穴形成的導電溝道稱為N溝道。
    五、關(guān)于體二極管
    由上文可知，NMOS有個P型的襯底，漏極是P型襯底上做的N型反型區(qū)，這樣就簡單的形成了一個PN結(jié)，如果在漏極和襯底之間加一個電壓，那么電流會順著這個PN結(jié)流通。
    一般情況下，單體的MOS管襯底是不獨自引出來的，通過把它接到源極上，也就是和源極短路，那么自然而然這個PN結(jié)就相當于是源極到漏極了。
    同理PMOS也是一樣，PMOS是在N型襯底上反型出兩塊P型半導體的區(qū)域地盤。襯底與漏極之間同樣有這個PN結(jié)。當把襯底連接在源極上時，就出現(xiàn)了從漏源之間的二極管了。
    六、關(guān)于空穴
    值得一提的是，空穴是不動的，在PN結(jié)中動的都是是電子，看起來好象是空穴在移動，其實是自由電子擴散的時候不斷的脫離原來的空穴去填充新的空穴，所以看起來就好象空穴在移動了。在應用場景中我們一般將空穴導電抽象為空穴的移動。
    此外自由電子和空穴在半導體中的遷移率不同，自由電子的運動，自始至終是不受共價鍵影響的，它處于共價鍵之外，電場能量可以幾乎“無損”地作用于電子定向運動。然而空穴就不一樣了，因為空穴處于共價鍵之上，空穴運動是鄰近電子不斷擺脫共價鍵束縛的過程，也就是不斷克服共價鍵束縛力做功的過程，這也是為什么大多數(shù)相同封裝依靠自由電子導電的NMOS的額定電流大于依靠空穴導電的PMOS的原因。
    七、關(guān)于MOS反向?qū)?/div>
    在大多數(shù)MOS的數(shù)據(jù)手冊中，并沒有給出反向?qū)ㄏ嚓P(guān)參數(shù)，但反向?qū)ǖ膽脜s是十分廣泛的，在此給出我對反向?qū)ǖ睦斫狻?/div>
    從上文我們可以得出結(jié)論，只要控制柵源電壓使得導電溝道開啟，那么漏極和源極之間即可導通。而漏極和源極在結(jié)構(gòu)上看是十分對稱的，因此在柵源電壓控制得好，以及漏源電壓沒有使得體二極管導通的情況下，正向與反向?qū)ń钥梢詤⒖紨?shù)據(jù)手冊中正向?qū)ǖ碾姎鈪?shù)。
    那么是否存在反向?qū)〞r導電溝道和體二極管同時導通的情況呢？體二極管導通壓降和導通內(nèi)阻十分大，一般在柵源電壓較大，使得MOS的導電溝道完全導通時，體二極管是不容易導通的，因為假設反向?qū)ü軌航的苓_到開啟體二極管的壓降，由于導電溝道的導通內(nèi)阻很小，此時會產(chǎn)生相當大的電流，會超過MOS管的額定電流，導致MOS管燒壞。若柵源電壓較小，導電溝道的導通內(nèi)阻較大時，則可能出現(xiàn)導電溝道和體二極管同時導通的情況。
    總結(jié)規(guī)律則為，在柵源電壓使得MOS管不導通時，反向?qū)ɑ芈分校琈OS等效為二極管。在柵源電壓逐漸增加時，MOS反向?qū)▔航抵饾u減小，導通內(nèi)阻逐漸減小。在柵源電壓使得MOS完全導通時，反向?qū)ɑ芈分械腗OS可大致等效為導線。
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