MOS管,場效應(yīng)管工作原理與反向?qū)☉?yīng)用介紹

發(fā)布時間：2024-07-13 16:14:27
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一、電子和空穴

半導(dǎo)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(yùn)動。

空穴又稱電洞（Electron hole），在固體物理學(xué)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(yùn)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(dǎo)體（N為Negative的字頭，由于電子帶負(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體就成為了含電子濃度較高的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。

P型半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)電的離子。這樣，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。

二、MOS管的符號

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(dǎo)通時半導(dǎo)體內(nèi)自由電子的移動方向，在后文會詳細(xì)說明。由于耗盡型MOS管如今應(yīng)用場景已不多，在此不做介紹。

三、MOS管的結(jié)構(gòu)

以增強(qiáng)型NMOS為例，下圖為增強(qiáng)型NMOS的結(jié)構(gòu)圖。
場效應(yīng)管工作原理反向?qū)☉?yīng)用

對于增強(qiáng)型NMOS而言，源極和漏極連接部分為N型半導(dǎo)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(yīng)管。襯底連接一塊P型半導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)型NMOS而言，源極和漏極連接部分為N型半導(dǎo)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(kuò)散運(yùn)動離開N型半導(dǎo)體，進(jìn)入P型半導(dǎo)體，此時半導(dǎo)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(yīng)管。襯底連接一塊P型半導(dǎo)體，帶有多數(shù)載流子空穴和少數(shù)載流子自由電子。

當(dāng)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(fù)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(diǎn)上，從而在兩個 n+ 區(qū)域之間形成導(dǎo)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(dǎo)體中多數(shù)載流子為自由電子，故由自由電子形成的導(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)率，并且漏極電流 (ID ) 將開始在源極和漏極之間流動。

當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)體放置和導(dǎo)電載流子。其源極和漏極連接部分為P型半導(dǎo)體，襯底連接一塊N型半導(dǎo)體。當(dāng)我們將負(fù)電壓加到柵極和源極（一般源極和襯底相連，相當(dāng)于加到柵極和襯底）時，N型半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子（空穴）將開始積聚在柵極觸點(diǎn)上，從而在兩個P-區(qū)域之間形成導(dǎo)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(dǎo)體中多數(shù)載流子為空穴，故由空穴形成的導(dǎo)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(dú)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(dāng)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(dǎo)體的區(qū)域地盤。襯底與漏極之間同樣有這個PN結(jié)。當(dāng)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(shí)是自由電子擴(kuò)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(yīng)用場景中我們一般將空穴導(dǎo)電抽象為空穴的移動。

此外自由電子和空穴在半導(dǎo)體中的遷移率不同，自由電子的運(yùn)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(yùn)動。然而空穴就不一樣了，因?yàn)榭昭ㄌ幱诠矁r鍵之上，空穴運(yùn)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(dǎo)電的NMOS的額定電流大于依靠空穴導(dǎo)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?yīng)用卻是十分廣泛的，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(dǎo)電溝道開啟，那么漏極和源極之間即可導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電溝道和體二極管同時導(dǎo)通的情況呢？體二極管導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通內(nèi)阻十分大，一般在柵源電壓較大，使得MOS的導(dǎo)電溝道完全導(dǎo)通時，體二極管是不容易導(dǎo)通的，因?yàn)榧僭O(shè)反向?qū)ü軌航的苓_(dá)到開啟體二極管的壓降，由于導(dǎo)電溝道的導(dǎo)通內(nèi)阻很小，此時會產(chǎn)生相當(dāng)大的電流，會超過MOS管的額定電流，導(dǎo)致MOS管燒壞。若柵源電壓較小，導(dǎo)電溝道的導(dǎo)通內(nèi)阻較大時，則可能出現(xiàn)導(dǎo)電溝道和體二極管同時導(dǎo)通的情況。

總結(jié)規(guī)律則為，在柵源電壓使得MOS管不導(dǎo)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(dǎo)通內(nèi)阻逐漸減小。在柵源電壓使得MOS完全導(dǎo)通時，反向?qū)ɑ芈分械腗OS可大致等效為導(dǎo)線。

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