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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(chǎng)效應(yīng)管，屬于場(chǎng)效應(yīng)管中的絕緣柵型。因此，MOS管有時(shí)被稱為絕緣柵場(chǎng)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(hào)。

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(hào)。

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(chǎng)，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(duì)這個(gè)電容充電，并形成一個(gè)電場(chǎng)，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(chǎng)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(chǎng)來控制電流的一個(gè)重要特點(diǎn)，所以也稱之為場(chǎng)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(chǎng)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(hào)規(guī)則

上圖是N溝道MOS管的符號(hào)，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(hào)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(hào)。

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(chǎng)效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高的多。

4) 場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好。

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

7) 場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)激勵(lì)信號(hào)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(duì)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。