MOS管原理、类型和封装知识

一路上

一、前言

MOS管是一种具有绝缘栅的FET，其中电压决定了器件的电导率。MOS管常用于切换或放大信号。随着施加的电压量改变电导率的能力可用于放大或切换电子信号。发明MOS管是为了克服FET中存在的缺点，如高漏极电阻、中等输入阻抗和较慢的操作。所以MOS管可以称为FET的高级形式。

MOS管是迄今为止数字电路中最常见的晶体管，因为内存芯片或微处理器中可能包含数十万或数百万个晶体管。由于它们可以由 p 型或 n 型半导体制成，互补的 MOS 晶体管对可用于以CMOS逻辑的形式制造具有非常低功耗的开关电路。

在数字和模拟电路中，MOS管现在甚至比BJT更常见，下图为MOS管的实物图。

二、MOS管的电路符号

MOS管是一个四端器件，具有源极 (S)、漏极 (D) 和栅极端子 (G) 和体 (B) 端子。主体经常连接到源端子，将端子减少到三个。它通过改变电荷载流子（电子或空穴）流动的通道宽度来工作。

MOS管根据操作类型分为两种类型：增强型MOS管和耗尽型MOS管。

1.增强型MOS管（E-MOS管）：当栅极端子上没有电压时，通道显示最大电导。当栅极端子两端的电压为正或负时，沟道电导率降低。

2.耗尽型MOS管（D-MOS管）：当栅极端子上没有电压时，器件不导通。当栅极端子上有最大电压时，器件显示出增强的导电性。

3.增强型和耗尽型MOS管之间的主要区别：增强型和耗尽型MOS管之间的主要区别在于施加到 E-MOS管的栅极电压应始终为正，并且它具有阈值电压，高于该阈值电压它会完全导通。

对于 D-MOS管，栅极电压可以是正的也可以是负的，它永远不会完全导通。另外，D-MOS管可以在增强和耗尽模式下工作，而 E-MOS管只能在增强模式下工作。

MOS管根据用于构造的材料进一步分类为n沟道和p通道。所以，一般来说，有 4 种不同类型的MOS管。

N 沟道耗尽型MOS管、P 沟道耗尽型MOS管、N 沟道增强型MOS管、P 沟道增强型MOS管

4.N 沟道MOS管：N 沟道MOS管称为NMOS，用以下符号表示。

N 沟道MOS管符号图

根据MOS管的内部结构，在耗尽型 MOS管 中，栅极 (G)、漏极 (D) 和源极 (S) 引脚是物理连接的，而在增强模式下它们是物理分离的，这就是为什么增强模式MOS管的符号出现损坏。


P 沟道MOS管：P沟道MOS管称为PMOS，用以下符号表示。

P 沟道MOS管电路符号图

在可用类型中，N 沟道增强型MOS管是最常用的MOS管。

5.N 沟道MOS管和 P通道MOS管之间的主要区别

N 沟道MOS管和 P沟道MOS管之间的主要区别在于，在 N 沟道中，MOS管开关将保持打开状态，直到提供栅极电压。当栅极引脚接收到电压时，开关（漏极和源极之间）将关闭，在 P 沟道MOS管中，开关将保持关闭，直到提供栅极电压。

三、MOS管的工作原理

MOS管的工作取决于MOS电容，它是源极和漏极之间的氧化层下方的半导体表面。只需分别施加正栅极电压或负栅极电压，即可将其从 p 型反转为 n 型。

MOS管的主要原理是能够控制源极和漏极之间的电压和电流。它的工作原理几乎就像一个开关，设备的功能基于 MOS 电容。MOS电容是MOS管的的主要部分。

MOS管的结构图

当漏源电压（VDS）连接在漏极和源极之间时，正电压施加到漏极，负电压施加到源极。在这里，漏极的 PN 结是反向偏置的，而源极的 PN 结是正向偏置的。在这个阶段，漏极和源极之间不会有任何电流流动。

如果我们将正电压 (VGG ) 施加到栅极端子，由于静电引力，P衬底中的少数电荷载流子（电子）将开始积聚在栅极触点上，从而在两个 n+ 区域之间形成导电桥。

在栅极接触处积累的自由电子的数量取决于施加的正电压的强度。施加的电压越高，由于电子积累而形成的 n 沟道宽度越大，这最终会增加电导率，并且漏极电流 (ID ) 将开始在源极和漏极之间流动。

当没有电压施加到栅极端子时，除了由于少数电荷载流子而产生的少量电流外，不会有任何电流流动。MOS管开始导通的最小电压称为阈值电压。


1.N沟道MOS管的构造

以N 沟道 MOS管为例子来了解MOS管工作原理。取一个轻掺杂的P型衬底，其中扩散了两个重掺杂的N型区域，作为源极和漏极。在这两个 N+ 区域之间，发生扩散以形成 N 沟道，连接漏极和源极。

N沟道MOS管的构造图

在整个表面上生长一层薄薄的二氧化硅 (SiO2 )，并制作孔以绘制用于漏极和源极端子的欧姆接触。铝的导电层覆盖在整个通道上，在这个SiO2层上，从源极到漏极，构成栅极。SiO2衬底连接到公共或接地端子。

由于其结构，MOS管的芯片面积比 BJT 小得多，与双极结型晶体管相比，其占用率仅为 5%。

2.N沟道MOS管（耗尽型）的工作原理

首先，我们认为在栅极和沟道之间不存在 PN 结。我们可以观察到，扩散沟道N（两个N+区域之间）、绝缘介质SiO2和栅极的铝金属层共同形成了一个平行板电容器。

如果 NMOS管必须工作在耗尽模式，则栅极端应为负电位，漏极为正电位，如下图所示。

MOS管在耗尽模式下的工作原理图

当栅极和源极之间没有施加电压时，由于漏极和源极之间的电压，一些电流会流动。让一些负电压施加在VGG上。然后少数载流子即空穴被吸引并在SiO2层附近沉降。但是多数载流子，即电子被排斥。

在VGG处具有一定量的负电位时，一定量的漏极电流ID流过源极到漏极。当这个负电位进一步增加时，电子被耗尽，电流ID减小。因此，施加的VGG越负，漏极电流ID的值就越小。

靠近漏极的通道比源极（如 FET）消耗得更多，并且由于这种效应，电流会减少。

N沟道MOS管的工作原理（增强型）

如果我们可以改变电压VGG的极性，相同的MOS管可以在增强模式下工作。因此，我们考虑栅极源极电压VGG为正的MOS管，如下图所示。

mos管在增强模式下工作原理图

当栅极和源极之间没有施加电压时，由于漏极和源极之间的电压，一些电流会流动。让一些正电压施加在VGG上。然后少数载流子即空穴被排斥而多数载流子即电子被吸引向SiO2层。

在VGG处具有一定量的正电位时，一定量的漏极电流ID流过源极到漏极。当该正电位进一步增加时，电流ID由于来自源极的电子流动而增加，并且由于施加在VGG的电压而进一步推动这些电流。因此，施加的VGG越正，漏极电流ID的值就越大。由于电子流的增加比耗尽模式更好，电流得到增强。因此，这种模式被称为增强模式MOS管。

3.P - 沟道 MOS管的构造（耗尽型）

PMOS管的构造和工作与 NMOS管相同。取一个轻掺杂的n-衬底，其中扩散了两个重掺杂的P+区。这两个 P+ 区域用作源极和漏极。在表面上生长一层薄薄的SiO2 。通过该层切割孔以与 P+ 区域接触，如下图所示。


P - 沟道 MOS管的构造图

4.P沟道MOS管的工作原理

当栅极端子在VGG处被赋予比漏源电压VDD负电位时，由于存在 P+ 区域，空穴电流通过扩散的 P 沟道增加，PMOS 工作在增强模式。

当栅极端子在VGG处被赋予比漏源电压VDD的正电位时，由于排斥，发生耗尽，因此电流减少。因此 PMOS管在耗尽模式下工作。尽管结构不同，但两种类型的 MOS管的工作原理是相似的。因此，随着电压极性的变化，这两种类型都可以在两种模式中使用。

四、MOS管的特性曲线

1.耗尽型MOS管的工作状态

耗尽型 MOS管通常被称为“开关导通”器件，因为它们通常在栅极端没有偏置电压时处于闭合状态。当我们以正向增加施加到栅极的电压时，沟道宽度将在耗尽模式下增加。这将增加通过沟道的漏极电流ID。如果施加的栅极电压为负值，则沟道宽度会变小，MOS管可能会进入截止区。

2.耗尽型MOS管的特性曲线

耗尽型MOS管晶体管的VI 特性介于漏源电压 (VDS ) 和漏电流 ( ID ) 之间。栅极端子处的少量电压将控制流过通道的电流。在漏极和源极之间形成的沟道将充当良导体，在栅极端子处具有零偏置电压。如果向栅极施加正电压，则沟道宽度和漏极电流会增加，而当我们向栅极施加负电压时，它们会减小。

耗尽型MOS管的特性曲线图

3.增强型MOS管的工作状态

MOS管在增强模式下的操作类似于打开开关的操作，只有在栅极端施加正电压（+VGS）并且漏极电流开始流过器件时，它才会开始导通。当偏置电压增加时，沟道宽度和漏极电流会增加。但是，如果施加的偏置电压为零或负，则晶体管本身将保持在关闭状态。

4.增强型 MOS管的特性曲线

增强型 MOS管的 VI 特性在漏极电流 (ID ) 和漏源电压 (VDS )之间绘制。VI 特性分为三个不同的区域，即欧姆区、饱和区和截止区。截止区域是MOS管将处于关闭状态的区域，其中施加的偏置电压为零。当施加偏置电压时，MOS管缓慢地向导通模式移动，并且在欧姆区发生电导率的缓慢增加。最后，饱和区是不断施加正电压且MOS管将保持导通状态的区域。

增强型 MOS管的特性曲线图

确保MOS管在承载选定漏极电流时保持“导通”所需的最小导通状态，栅极电压可以从上面的 VI 传递曲线确定。当VIN为高电平或等于VDD时，MOS管Q 点沿负载线移动到A点。

由于沟道电阻的减小，漏极电流ID增加到其最大值。ID成为独立于VDD的常数值，并且仅取决于VGS。因此，晶体管的行为就像一个闭合的开关，但由于其RDS(on)值，通道导通电阻不会完全降低到零，而是变得非常小。

同样，当VIN为低电平或降至零时，mos管Q点沿负载线从 A 点移动到 B 点。通道电阻非常高，因此晶体管就像开路一样，没有电流流过通道。

五、MOS管的工作区域

1.截止区域

截止区域是将处于关闭状态并且零电流流过它的区域。在这里，该装置起到基本开关的作用，并在需要它们作为电气开关操作时使用。

这里MOS管的工作条件是：零输入栅极电压 ( VIN )、零漏极电流ID、输出电压VDS = VDD。

因此，对于增强型MOS管，导电通道关闭，器件“关闭”。

2.截止特性

MOS管截止特性图

• 输入和栅极接地（0V）
• 栅源电压低于阈值电压VGS < VTH
• MOS管为“OFF”（截止区域）
• 没有漏极电流流动（ID = 0安培）
• VOUT = VDS = VDD = “1”
• MOS管作为“开路开关”运行
  

然后，当使用 e-MOS管作为开关时，我们可以将截止区域或“关闭模式”定义为栅极电压，VGS < VTH因此ID = 0。对于 P 沟道增强型 MOSFET，栅极电位相对于源极必须更正。

3.饱和区域

饱和区器件的漏源电流值将保持不变，而不考虑漏源电压的增强。当漏极到源极端子的电压增加超过夹断电压值时，这种情况只会发生一次。在这种情况下，该器件用作闭合开关，其中饱和电流通过漏极到源极端流动。因此，当器件应该执行切换时选择饱和区域。

4.饱和特性

mos管饱和特性图

• 输入和门连接到VDD
• 栅源电压远大于阈值电压，VGS > VTH
• mos管为“ON”（饱和区）
• 最大漏极电流 ( ID = VDD / RL )
• VDS = 0V（理想饱和度）
• 最小通道电阻RDS(on) < 0.1Ω
• 由于RDS(on) ， VOUT = VDS ≅ 0.2V
• MOS管作为低电阻“闭合开关”运行
  

当使用 e-MOS管作为开关作为栅源电压时，我们可以定义饱和区域或“导通模式”，VGS > VTH。因此ID = 最大值。对于 P 沟道增强型MOS管，栅极电位相对于源极必须更负。

通过向栅极施加合适的驱动电压，漏源通道的电阻RDS(on)可以从数百kΩ（实际上是开路）的“关断电阻”变化到“导通电阻”小于1Ω，有效地起到短路作用。

当使用MOS管作为开关时，我们可以驱动MOS管更快或更慢地“导通”，或者通过高电流或低电流。这种将功率MOS管“打开”和“关闭”的能力允许该器件用作非常高效的开关，其开关速度比标准双极结型晶体管快得多。

5.线性/欧姆区域

漏极到源极端子的电流随着漏极到源极路径上的电压的增加而增强的区域。当 MOS管件该线性区域内工作时，执行放大器功能。

六、MOS管的封装

MOS管有不同的封装、尺寸和名称，可用于不同类型的应用。通常，MOS管以 4 种不同的封装形式交付，即表面贴装、通孔、PQFN和 DirectFET。

MOS管在每种封装中都有不同的名称，如下所示：

表面贴装：TO-263、TO-252、MO-187、SO-8、SOT-223、SOT-23、TSOP-6等。
通孔：TO-262、TO-251、TO-274、TO-220、TO-247等。
PQFN：PQFN 2x2、PQFN 3x3、PQFN 3.3x3.3、PQFN 5x4、PQFN 5x6等。
DirectFET：DirectFET M4、DirectFET MA、DirectFET MD、DirectFET ME、DirectFET S1、DirectFET SH等。

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