FPGA之道（5）MOS管简介

文章目录

前言
简介
模拟特性
数字特性

前言

集成电路的门电路基本都是由MOS管实现的，相比于晶体管，MOS管应用更加广泛，MOS管在模拟电路以及数字电路中应用的区域也不同，下面一一介绍。
注：本文摘自于《FPGA之道》

简介

与三极管类似，MOS管也具有三个电极，虽然名称不同，但是使用方式类似，按照对应关系，分别为源极（符号S，功能类似三极管发射极）、栅极（符号G，功能类似三极管基极）、漏极（符号D，功能类似三极管集电极）。不过与三极管不同的是，MOS管是基于金属-氧化物工艺的，能够做到更小和高度集成化，且MOS管是压控器件，即通过栅极的电压控制漏源之间的电流，而不像三极管是通过基极的电流控制发射极、基极之间的电流。除此以外，对于MOS管来说，漏、源两极其实没有什么本质区别，不像三极管，发射极和集电极的参杂浓度是有很大不同的。
MOS管按照漏源区的半导体特性，也可分为NMOS和PMOS，并且又可进一步分为增强型和耗尽型两类。如下即为一个增强型NMOS的结构和符号：

模拟特性

以增强型NMOS管为例，来分析一下MOS管的模拟特性。
与三极管类似，增强型MOS管也有三个工作状态，分别称为截止状态、饱和状态、非饱和状态（注意，没有倒置状态）。可参考下图理解：

当栅源之间的电压Ugs < Vt时，源漏之间的电流Ids = 0，因此称此时管子处于截止状态，且Vt称为增强型MOS管的开启电压。
当栅源之间的电压Ugs > Vt时，源漏之间开始出现电流，此时，若源漏之间电压Uds < (Ugs - Vt)，那么Ids将随着Uds的增加而快速上升，由于Ids可随着Uds变化，因此称此时管子处于非饱和状态。非饱和状态时，MOS管等效为一个阻值较小的电阻，且从上图可以看出，该电阻的阻值与Ugs相关，即受Ugs控制，所以有时也称之为可变电阻状态，与三极管的饱和状态功能类似。
当栅源之间的电压Ugs > Vt，且Uds ≥ (Ugs - Vt)时，Uds的变化对Ids的影响将会比较小，所以Ids将达到饱和，不再增加，因此称此时管子处于饱和状态。饱和状态时，Ids直接和Ugs相关，这便是压控电流的原理，所以，为了和三极管对应起来，有时我们也称MOS管的饱和状态为放大状态。

数字特性

在模拟电路中，我们主要关注MOS管的饱和状态（也称放大状态），但如果用于数字电路，则主要关注MOS的非饱和状态与截止状态。如果能够想办法让MOS管主要工作于非饱和状态或截止状态，那么MOS管将呈现出导通或者截止特性，并可以据此传递数字电信号。