MOS管种类

MOS管结构和工作原理

NMOS管增强型结构

NMOS管增强型工作原理

阈值电压VTN和截止区

可变电阻区

恒流区形成

I-V特性曲线及特性方程

总结

NMOS耗尽型

与NMOS增强型区别

I-V特性曲线及特性方程

总结

PMOS增强型

与NMOS增强型区别

I-V特性曲线及特性方程

PMOS耗尽型

与PMOS增强型区别

MOS管符号

增强型和耗尽型区分

PMOS和NMOS区分

g，s，d如何区分

MOS管种类

MOS管从导电载流子来看，有N沟道的MOSFET和P沟道的MOSFET，常称为NMOS管和PMOS管。而按照导电沟道形成机理不同，它们又各自分为增强型E型和耗尽型D型两种。因此MOS管有四种：增强型PMOS管，增强型NMOS管，耗尽型PMOS管，耗尽型NMOS管。

MOS管结构和工作原理

NMOS管增强型结构

先看上面两张图，第一张是NMOS管的结构图，第二张是NMOS管的纵剖面图。看起来密密麻麻的字，很让人看的心烦。

从下往上讲，简单来说就是：

⑴衬底是参杂了P型硅半导体，然后在这个衬底的两端加入了两块N型半导体。

⑵中间这个沟道没有满足条件的时候是没有的（图一是满足了条件的时候，图二是没有满足条件的时候），先不要管他，后面会讲，你直接把他看成是P型衬底的一部分即可。

⑶在P型衬底上方增加了三块很薄的二氧化硅绝缘层（最两边两个白色部分，和标有tox的白色部分）。

⑷在最上面加上三个铝电极（最上面三个黑色的部分），用于导电。这三块铝电极分别称为栅极g（gate），源极s（source），漏极d（drain）。

因为我们形成的沟道是带负电的电子，所以我们将这个MOS管称之为NMOS管。

NMOS管增强型工作原理

阈值电压VTN和截止区

根据上面的结构图和纵剖面图我们知道，场效应其实就是两个方向相反的二极管的组合（如下图）。中间是P型半导体，两边是N型半导体，最后形成方向相反的两个二极管。

因为二极管具有单向导通的特性，所以现在我们在漏极d和源极s之间增加电压，无论电压方向如何都是不会有电流的。

于是我们尝试在栅极g处增加电压，电池正极接g，负极接衬底和s极，衬底和s极作为零电势点。（如下图）

⑴因为电池的负极接衬底，衬底又是P型半导体，里面具有大量的空穴会吸引电子，所以现在P型半导体中有一定量的电子。⑵又因为栅极g连接了正极，而栅极g和P型半导体之间的绝缘层很薄，可以产生一个 $10^{5} \sim 10^{6}V/cm$ 的电场，这个时候P型半导体中的自由电子就会逐渐聚集在两个N型半导体中间，当电压越多，聚集在两个N型半导体中间的自由电子越多。⑶当电子超过一定数量的时候，N沟道就形成了，而这个时候的电压，我们称为VTN。

现在我们知道沟道形成需要Vgs≥VTN，而Vgs<VTN无沟道产生。沟道的作用就是连接左右两个N型半导体的通道，如果沟道没有，那么就不会有电流产生（相当于两个反向的二极管），这个时候我们称为截止区。如果产生了沟道，那么就相当于两个N型半导体中间的空穴被挤下去了，这个时候两个方向相反的二极管被一个电阻所取代。（这个电阻的阻值由Vgs决定）。

可变电阻区

当我们固定Vgs（Vgs≥VTN），可以知道，Vds越小，iD肯定越大。这个时候我们把Vds除以iD的值称为沟道电阻。但是当我们固定Vds，改变Vgs的时候，因为产生的沟道厚度不同，电阻率也不同，于是沟道电阻也会改变，于是我们把这个区域称为可变电阻区。

恒流区形成

当我们固定Vgs的时候，随着Vds从0逐渐增大，iD会随之快速上升。⑴但是我们知道，Vds和Vgs是公用同一个s点的，所以说 $Vgd=-Vdg=-(Vds-Vgs)=Vgs-Vds$ 。⑵当Vds不断增大的时候，而Vgs是个固定值，那么Vgd就会不断减小。⑶当Vgd减小到VTN的时候，此刻漏极处会产生一个夹断点。当Vds继续增大，Vgd也会继续减小，那么夹断点会变成夹断层。（如下图）

那么有人会有疑惑了，都夹断了，怎么还会有电流呢？因为Vgs电压是固定的，当Vdd增大的时候，Vdg会增大（Vgd减小，Vgd=-Vdg）。这个Vdg的电压会降落在夹断区，这个时候在夹断区的水平方向会产生一个从漏极d到源极s的电场，促进沟道中的自由电子穿过夹断区漂移到漏极区，形成漏电流。

最后的结果就是，当 $Vds=Vgs-Vgd=Vgs-VTN$ 的时候，此时电流稳定不变。

I-V特性曲线及特性方程

在可变电阻区，科学家发现了这个公式： $i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]$

在原点附近，因为 $V_{DS}$ 非常的小，所以可以忽略 $V_{DS}^{2}$ 的影响，那么上面这个公式可以近似的看成 $i_{D}=2K_{n}(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}$

因为恒流区的电流都一样，所以恒流区的电流就是 $V_{DS}=V_{GS}-V_{TN}$ 时刻的电流。在恒流区的公式如下: $i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})^{2}-(V_{GS}-V_{TN})^{2}] =K_{n}(V_{GS}-V_{TV})^{2}$

下图为增强型NMOS管输出特性曲线，我们能够看到很多条线，这些线表示 $V_{GS}$ 不同值的情况下，固定 $V_{GS}$ 改变 $V_{DS}$ 的输出曲线。注意：当 $V_{GS}$ 选取好了之后，在这个图中 $V_{GS}$ 就是定值了。也就是其中的一条轨迹线。

因为在恒流区 $i_{D}$ 与 $V_{DS}$ 几乎无关，转移特性近似一条直线。所以我们可以做出恒流区，因为 $V_{GS}$ 改变导致的 $i_{D}$ 改变图形。根据上图，在 $V_{DS}$ 固定为5V的区域做出ABCD四个点。根据这个四个点画出下图

总结

综上所述，我们可以得出

⑴Vgs<VTN,iD=0，此时为截止区。

⑵Vds<Vgs-VTN和Vgs≥VTN，此时为可变电阻区。 $i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]$

在原点附近， $i_{D}=2K_{n}(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}$

⑶Vds≥Vgs-VTN和Vgs≥VTN，此时为恒流区。 $i_{D} =K_{n}(V_{GS}-V_{TN})^{2}$

NMOS耗尽型

与NMOS增强型区别

N 沟道耗尽型MOS管和增强型MOS管区别在于，耗尽型MOS管的栅极g下面的这个绝缘层已经注入了大量的正离子，这样导致耗尽型MOS一开始就有沟道。

N沟道耗尽型MOS管的特性几乎和增强型MOS管一样，也是Vgs≥VTN形成沟道，只不过这个VTN是个负数。

I-V特性曲线及特性方程

N沟道耗尽型MOS管的可变电阻区和恒流区条件与增强型MOS管一样：

⑴Vgs<VTN,iD=0，此时为截止区。

⑵Vds<Vgs-VTN和Vgs≥VTN，此时为可变电阻区。 $i_{D}=K_{n}[2(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]$

在原点附近， $i_{D}=2K_{n}(V_{GS}-V_{TN})V_{DS}$

⑶Vds≥Vgs-VTN和Vgs≥VTN，此时为恒流区。 $i_{D} =K_{n}(V_{GS}-V_{TN})^{2}$

耗尽型NMOS管的恒流区转移特性曲线，就是增强型NMOS管向左移。

总结

总结一句话，耗尽型MOS管与增强型MOS管的唯一区别在于耗尽型MOS管的VTN是个负数，他的沟道在不加Vgs的时候就已经形成了。

PMOS增强型

与NMOS增强型区别

PMOS增强型MOS管（右侧为PMOS）与NMOS增强型的MOS管（左侧为NMOS）区别在于，PMOS管的衬底是N型半导体，沟道为带正电的空穴。

P沟道增强型MOS管的特性几乎和P沟道增强型MOS管完全相反。

PMOS管产生沟道的条件为Vgs≤VTP(注意，这里是VTP不是VTN，但是都表示阈值电压)。

I-V特性曲线及特性方程

⑴ ${\color{Red}V_{GS}>V_{TP} }$ ,iD=0，此时为截止区。

⑵ ${\color{Red}V_{DS}> V_{GS}-V_{TP} }$ 和 ${\color{Red}V_{GS}\leq V_{TP} }$ ，此时为可变电阻区。 $i_{D}=-K_{p}[2(V_{GS}-V_{TP})V_{DS}-{V_{DS}^{2}]$

在原点附近， $i_{D}=-2K_{p}(V_{GS}-V_{TP})V_{DS}$

⑶ ${\color{Red}V_{DS}\leq V_{GS}-V_{TP} }$ 和 ${\color{Red}V_{GS}\leq V_{TP} }$ ，此时为恒流区。 $i_{D} =-K_{p}(V_{GS}-V_{TP})^{2}$

以下分别为输出特性曲线（固定 $V_{GS}$ 改变 $V_{DS}$ ，图a）和转移特性曲线（固定 $V_{DS}$ 改变 $V_{GS}$ ，图b）

PMOS耗尽型

与PMOS增强型区别

与增强型NMOS与耗尽型NMOS管的区别一摸一样，也是在栅极下方的二氧化硅多加了正电荷，从一开始就有沟道。输出特性曲线一模一样（固定 $V_{GS}$ 改变 $V_{DS}$ ），就是耗尽型PMOS的 $V_{GS}$ 可以整数，增强型PMOS不可以。

下图为耗尽型PMOS转移特性曲线（固定 $V_{DS}$ 改变 $V_{GS}$ ）

MOS管符号

一般来说我们都是要根据符号判断什么类型的MOS管，其实就两点。

增强型和耗尽型区分

第一，衬底部分是否为虚线，虚线表示增强型MOS管（如果 $V_{GS}$ 没有电压， $V_{DS}$ 不导通的，图c），实线表示耗尽型MOS管（即使 $V_{GS}$ 没有电压， $V_{DS}$ 也是导通的，图b）

PMOS和NMOS区分

第二，衬底箭头指向，如果是指向栅极g的方向表示NMOS管（图c），如果指向远离栅极g的方向表示PMOS管(图a)。

g，s，d如何区分

（1）首先中间这个是栅极g，这个不需要讲。

（2）我们看栅极这个长边指向那个方向，如果是指向下面，那么下面这个就是源极s，如果指向上面，那么上面那个就是源极。

（3）当栅极g，源极s都确定的时候。另外一个没有确定的就是漏极d。

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