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详细详解mos管的工作原理,最全面的mos管工作原理文章

信息来源:本站 日期:2017-09-22 

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MOS管的工作原理及表示符号

根据导通沟道的载流子性质MOS管可分为NMOS管(即N沟道MOS管)与PMOS管(即P沟道MOS管)。NMOS管是指其导电沟道中的导电电荷为电子,而PMOS管则是指其导电沟道中的导电电荷为空穴。

根据沟道的导通条件(MOS管的栅/源电压VGS为0时是否存在导通沟道)MOS管又可分为增强型MOS管与耗尽型MOS管两类:增强型MOS管足指在MOS管的栅/源电压VGS为0时没有导电沟道,而必须依靠栅/源电压的作用,才能形成感生沟道的MOS管;耗尽型

MOS管则是指即使在MOS管栅/源电压VGS为0时也存在导电沟道的MOS管。这两类MOS管的基本工作原理一致,都是利用栅/源电压的大小来改变半导体表面感生电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。所以MOS管可以分为四类:增强型NMOS管、耗尽型NMOS管、增强型PMOS管及耗尽型PMOS管。

下面以增强型NMOS管与耗尽型NMOS管为例说明MOS管的工作原理。

1.增强型NMOS管的工作原理

当 NMOS管的栅极与源极短接(即NMOS管的栅/源电压VGS=O)时,源区(N+型)、衬底(P型)和漏区(N+型)形成两个背靠背的PN结,不管NMOS管的漏/源电压VDS的极性如何,其中总有一个PN结是反偏的,所以NMOS管源极与漏极之间的电阻主要为PN结的反偏电阻,基本无电流流过,即NMOS管的漏极电流ID为0。例如,如果NMOS管的源极s与衬底相连,并接到系统的最低电位,而漏极接电源正极时,漏极和衬底之间的PN结是反偏的,此时漏/源之间的电阻很大,没有形成导电沟道。

若在NMOS管的栅/源之间加l正向电压VGS(即NMOS管的栅极接高电位,源极接低电位),则栅极和P型衬底之间就形成了以栅氧(即二氧化硅)为介质的平板电容器。在正的栅/源电压作用下,介质中产生了一个垂直于硅片表面的由栅极指向P型衬底的强电场(由于绝缘层很薄,即使只有几伏的栅/源电压VGS,也可产生高达lO5-lO6V/cm数量的强电场),这个强电场会排斥衬底表面的空穴而吸引电子,因此,使NMOS管栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,留下不能移动的受主离子(负离子),形成了耗尽层,同时P型衬底中的少子(电子)被吸引P衬底表面,如图1.3(a)所示。当正的栅/源电压达到一定数值时,这些电子在栅极附近的P型硅表面便形成了一个N型薄层,通常把这个在P型硅表面形成的N型薄层称为反型层,这个反型层实际上就构成厂源极和漏极间的N型导电沟道,如图1.3(b)所示。由于它是栅/源正电压感应产生的,所以也称感生沟道。显然,栅/源电压VGS正得越多,则作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P型硅表面的电子就越多,感应沟道(反型层)将越厚,沟道电阻将越小。
感应沟道形成后,原来被P型衬底隔开的两个N+型区(源区和漏区)就通过感应沟道连接生一起。因此,在正的漏/源电压作用下,电子将从源区流向漏区,产生了漏极电流ID。一般把生漏/源电压作用下开始导电时的栅/源电压叫做NMOS管阈值电压(或开启电压)Vth。

当NMOS管的栅/源电压VGS大丁等于Vth时,外加较小的漏/源电压VDS时,漏极电流ID将随VDS上升迅速增大,此时为线性区(也可称为三极管区),但由于沟道存在电位梯度,即NMOS管的栅极与沟道间的电位差从漏极到源极逐步增大,凶此所形成的沟道厚度是不均匀的,靠近源端的沟道厚,而靠近漏端的沟道薄。

当VDS增大到一定数值,即VGD=Vth时,靠近漏端的沟道厚度接近为0,即感应沟道在漏端被夹断,如图1.3(c)所示;VDS继续增加,将形成一夹断区,且夹断点向源极靠近,如图1.3(d)所示。沟道被夹断后,VDS上升时,其增加的电压基本上加在沟道厚度为零的耗尽区上,而沟道两端的电压保持不变,所以ID趋于饱和而不再增加,此时NMOS管工作在饱和区,在模拟集成电路中饱和区是NMOS管的主要工作区。要注意,此时沟道虽产生了灾断,但由于漏极与沟道之间存在强电场,电子在该电场作用下被吸收到漏区而形成了从源区到漏区的电流。
mos管的工作原理

另外,当VGS增加时,由于感应沟道变厚,沟道电阻减小,饱和漏极电流会相应增大。

若VDS大于某一击穿电压BVDS(二极管的反向击穿电压),漏极与衬底之间的PN结发生反向击穿,ID将急剧增加,进入雪崩区,漏极电流不经过沟道,而直接由漏极流入衬底。

注意与双极型晶体管相比,一个MOS管只要形成了导电沟道,即使在无电流流过时也可以认为是开通的。

2.耗尽型NMOS管的工作原理

耗尽型NMOS管的几何结构与增强型相同。但在制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子,根据电荷感应原理,即使在VGS=O时,由于正离子的作用,在源区和漏区之间的P型衬底上感应出较多的负电荷(电子),形成N型沟道,因此即使栅/源电压为零时,在正的VDS作用下,也存在较大的漏极电流ID。如果所加的栅/源电压VGS为负,则会使沟道中感应的负,U荷减少,从而使漏极电流减小,所以称为耗尽型NMOS管,当栅/源电胀r。s更负时,则会使之不能感应出负电荷,因而不能形成感应沟道,此时的栅/源电压VGS称为耗尽型NMOS管的关断电压。当VGS>O时,由于绝缘层的存在,在沟道中感应出更多的负电荷,在VDS作用下,将形成更人的漏电流ID。

对于增强型PMOS管与耗尽型PMOS管的工作原现与N沟道MOS管相类似,不同之处在于:它所形成的是P沟道,且增强型PMOS管的阈值电压为负值,以便感应出正电荷,形成P沟道;耗尽型PMOS管的关断电压为正值。

由以上分析可知,与双极型晶体管不同,MOS管中参与导电的只有一种电荷,即NMOS管参与导电的是电子,而PMOS管参与导电的是空八。MOS管的工作状态根据漏极电流的变化可大约分为三种情况,即截止区(ID为o)、线性区(ID随VDS几乎线性变化)、饱和区(ID与VDS基本无关,保持不变)。

3.MOS管表示符号

NMOS管与PMOS管有很多种代表符号,但最具典型的符号如图1.4所示。图1·4(a)表示为四端器件,建议在模拟集成电路采用此类表示符号。

在大部分电路中,NMOS管与PMOS管的衬底端一般分别接到地与电源,所以可用三端器件[如图1.4(b)所示],即在集成电路中如采用图1.4(b)所示的符号,则表示NMOS管与PMOS管的衬底分别默认为接地与接电源。

另外,在NMOS路中,也常用如图1.4(c)所示的开关符号来描述。图1.4(d)所示的符号为耗尽型NMOS管和PMOS管。

mos管的符号

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