什么是MOS管?

MOS管的英文全稱叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，屬于場效應(yīng)管中的絕緣柵型。因此，MOS管有時(shí)被稱為絕緣柵場效應(yīng)管。在一般電子電路中，MOS管通常被用于放大電路或開關(guān)電路。

1、MOS管的構(gòu)造

在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(Si02)絕緣層膜，在再這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道(NPN型)增強(qiáng)型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。圖1-1所示 A 、B分別是它的結(jié)構(gòu)圖和代表符號。

同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過程，就制成為一個(gè)P溝道(PNP型)增強(qiáng)型MOS管。下圖所示分別是N溝道和P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號。

2、MOS管的工作原理

增強(qiáng)型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時(shí)，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道(沒有電流流過)，所以這時(shí)漏極電流ID=0。

此時(shí)若在柵-源極間加上正向電壓，即VGS>0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個(gè)電容，VGS等效是對這個(gè)電容充電，并形成一個(gè)電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個(gè)電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT(一般約為 2V)時(shí)，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示。

控制柵極電壓VGS的大小改變了電場的強(qiáng)弱，就可以達(dá)到控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個(gè)重要特點(diǎn)，所以也稱之為場效應(yīng)管。

3、MOS管的特性

上述MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于Sio2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個(gè)電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場從而導(dǎo)致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時(shí)的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。這就可以得出如下結(jié)論：

1) MOS管是一個(gè)由改變電壓來控制電流的器件，所以是電壓器件。

2) MOS管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。

4、MOS管的電壓極性和符號規(guī)則

上圖是N溝道MOS管的符號，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是P溝道的MOS管。

在實(shí)際MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號的規(guī)則中;表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區(qū)別漏極和源極。

上圖是P溝道MOS管的符號。

MOS管應(yīng)用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負(fù)極，柵極G正電壓時(shí)導(dǎo)電溝道建立，N溝道MOS管開始工作。

同樣P道的類似PNP晶體三極管，漏極D接負(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時(shí)，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開始工作。

5、MOS管和晶體三極管相比的重要特性

1) 場效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似。

2) 場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制ID，普通的晶體三極管是電流控制電流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系數(shù)是(跨導(dǎo)gm)當(dāng)柵極電壓改變一伏時(shí)能引起漏極電流變化多少安培。晶體三極管是電流放大系數(shù)(貝塔β)當(dāng)基極電流改變一毫安時(shí)能引起集電極電流變化多少。

3) 場效應(yīng)管柵極和其它電極是絕緣的，不產(chǎn)生電流;而三極管工作時(shí)基極電流IB決定集電極電流IC。因此場效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高的多。

4) 場效應(yīng)管只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電;三極管有多數(shù)載流子和少數(shù)載流子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少數(shù)載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好。

5) 場效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時(shí)，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大，而三極管的集電極與發(fā)射極互換使用時(shí)，其特性差異很大，b 值將減小很多。

6) 場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級及要求信噪比較高的電路中要選用場效應(yīng)管。

7) 場效應(yīng)管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但是場效應(yīng)管制造工藝簡單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優(yōu)秀特性，在各種電路及應(yīng)用中正逐步的取代普通晶體三極管，目前的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中，已經(jīng)廣泛的采用場效應(yīng)管。

6、在開關(guān)電源電路中，大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優(yōu)點(diǎn)

1) 輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小——由于柵源之間是二氧化硅(SiO2)絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達(dá)100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。由于輸入阻抗高，對激勵(lì)信號不會(huì)產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)功率極小(靈敏度高)。一般的晶體三極管必需有基極電壓Vb，再產(chǎn)生基極電流Ib，才能驅(qū)動(dòng)集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動(dòng)是需要功率的(Vb×Ib)。

2) 開關(guān)速度快——MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系，由于輸入容性特性的存在，使開關(guān)的速度變慢，但是在作為開關(guān)運(yùn)用時(shí)，可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻，加快開關(guān)速度(輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動(dòng)，加快了容性的充放電的時(shí)間)。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時(shí)間在10—100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開關(guān)速度的提高(目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以輕易的做到100K/S～150K/S,這對于普通的大功率晶體三極管來說是難以想象的)。

3) 無二次擊穿——由于普通的功率晶體三極管具有當(dāng)溫度上升就會(huì)導(dǎo)致集電極電流上升(正的溫度～電流特性)的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會(huì)導(dǎo)致溫度進(jìn)一步的上升，溫度進(jìn)一步的上升，更進(jìn)一步的導(dǎo)致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步下降，這就形成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)下降最終導(dǎo)致晶體三極管的擊穿，這是一種導(dǎo)致電視機(jī)開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破環(huán)性的熱電擊穿現(xiàn)象，也稱為二次擊穿現(xiàn)象。MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當(dāng)管溫度(或環(huán)境溫度)上升時(shí)，溝道電流IDS反而下降。例如;一只IDS=10A的MOS FET開關(guān)管，當(dāng)VGS控制電壓不變時(shí)，在250C溫度下IDS=3A，當(dāng)芯片溫度升高為1000C時(shí)，IDS降低到2A，這種因溫度上升而導(dǎo)致溝道電流IDS下降的負(fù)溫度電流特性，使之不會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，可見采用MOS管作為開關(guān)管，其開關(guān)管的損壞率大幅度的降低，近兩年電視機(jī)開關(guān)電源采用MOS管代替過去的普通晶體三極管后，開關(guān)管損壞率大大降低也是一個(gè)極好的證明。

4) MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性——普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通是，幾乎是直通，有一個(gè)極低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個(gè)壓降，那么也就是;普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)等效的電阻是一個(gè)非線性的電阻(電阻上的電壓和流過的電流不能符合歐姆定律)，而MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)電阻等效一個(gè)線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流符合歐姆定律的關(guān)系，電流大壓降就大，電流小壓降就小，導(dǎo)通后既然等效是一個(gè)線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當(dāng)這樣兩個(gè)電阻并聯(lián)在一起，就有一個(gè)自動(dòng)電流平衡的作用，所以MOS管在一個(gè)管子功率不夠的時(shí)候，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不必另外增加平衡措施(非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的)。

MOS管和普通的晶體三極管相比，有以上四項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，就足以使MOS管在開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)下完全取代普通的晶體三極管。目前的技術(shù)MOS管道VDS能做到1000V，只能作為開關(guān)電源的開關(guān)管應(yīng)用，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，VDS的不斷提高，取代顯像管電視機(jī)的行輸出管也是近期能實(shí)現(xiàn)的。