MOS场效应管
mos场效应管工作原理
mos场效应管工作原理
场效应管(又称为MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)是一种三极管，它是由金属-氧化物-半导体结
构组成的。
MOS场效应管的工作原理基于其门电压对导电状态的控制。
它主要由四个部分组成：栅极(gate)、漏极(drain)、源极(source)和绝缘层(insulating layer)。
栅极和源极之间绝缘层两侧有一个
半导体通道。
当没有电压应用在栅极时，绝缘层将阻止电流在通道中的流动，MOSFET处于关断状态，导电性排斥。
但是，当正电压应用
在栅极上时，它会形成一个电场，这个电场会吸引并导致半导体通道中的载流子(电子或空穴)向栅极周围移动。
这将导致通
道处于导通状态，由源极到漏极流动的电流增加。
根据栅极与源极之间的电压，MOSFET可以操作在三个不同
的工作区域：截止区、线性区和饱和区。
- 截止区：当栅极电压低于门阈电压时，MOSFET处于截止状态，没有电流流过整个器件。
- 线性区：当栅极电压高于门阈电压时，MOSFET处于线性区，电流的大小与栅极电压的差值成正比。
- 饱和区：当栅极电压进一步增加，使得MOSFET工作在饱和区，此时电流基本保持不变。
通过调整栅极电压，可以控制MOSFET的导通和截止，从而
实现对电流的控制和放大功能。
因此，MOSFET被广泛应用于电子设备，如放大器、开关和逻辑电路等。
MOS场效应管
N
N
P
G
P型基底 SiO2绝缘层
S
导电沟道
N沟道增强型
3
SG D
P
P
N
D G
S
P 沟道增强型
4
2、MOS管的工作原理
UGS=0时
UGS UDS
S GD
ID=0
对应截止区
N
N
P
D-S 间总有一
个反接的PN
结
5
UGS>0时
UGS UDS
S GD
UGS足够大时 （UGS>VGS(Th)） 感应出足够多电
画电路的交流等效电路如右图，这里采用的是MOS管的简化模型，可得：
AVv vo i gm vvggsR s DgmRD
46
二、有源电阻
ID
unCoxW 2L
(VGS
VGS
(
th )
)2
(1
VDS VA
)
unCoxW 2L
(VGS
VGS(th) )2 (1 VDS )
unCoxW 2L
予夹断曲线
40
四、主要参数：
1、夹断电压VP：
2、饱和漏极电流IDSS:
3、直流输入电阻RGS（DC）：栅压除栅流
4、低频跨导gm:
gm viGDS|vDS常数
5、输出电阻rd: 6、最大漏极电流IDM:
rd viDDS|vGS常数
7、最大耗散功率PDM:
8、击穿电压：V（BR）DS、V（BR）GS
V GS
)2
( th )
0 . 25 (11 2 I D 5 ) 2
I
MOSFET场效应管(MOS管)
MOS管基本知識
MOS管的定義與類型 MOS管結構圖及封裝 MOS管的基本參數 MOS管的作用 MOS管與三極管的區別 如何判斷MOS管好壞
MOS管的定義與類型
MOSFET(場效應管)是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的首字母 缩写﹐簡稱MOS管。 它是只有一種載流子參與 導電的半導體器件﹐是用輸入電壓控制輸出電 流的半導體器件。
MOS管常用封裝
SOT-89
MOS管基本參數
參數符號 參數名稱
VGS(th)
BVDSS
閾值(開啟)電壓 擊穿電壓
RDS(on)
導通電阻
IDSS
漏電流
MOSห้องสมุดไป่ตู้的作用
開關﹕ NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极
接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性則剛好相反。
Vout
Vin
放大
MOS管與三極管的區別
結構 工作原理
作用
相同點
P/N結構成 小信號控制 開關﹑放大
不同點
MOS管控制端(G)是 絕緣的,三極管控制端 (B)是導通的。 MOS管受電壓控制﹐ 三極管受電流控制。
MOS管偏于開關作用 三極管偏于放大作用
如何判斷MOS管好壞
量測前﹐先把GS兩端短路放電﹐然后用歐姆表 量測DSG任意兩端電阻為M歐級﹐假若先量測GS, 再量測DS兩端電阻﹐其阻值會明顯變小或者通路。 這些都是一個正常的MOS管所具備的。
MOS管分為兩大類型﹕耗盡型(DMOS )和增強 型(EMOS )。每一類都有N溝道和P溝道兩種導 電類型。實際應用的是增強型的N溝道和P溝道 MOS管﹐即NMOS和PMOS。
mos管 场效应管
MOS管（场效应管）1. 简介MOS管，全称金属氧化物半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），是一种重要的电子器件。
它是由金属氧化物半导体材料构成的栅极与源极、漏极之间形成的电流控制装置。
MOS管具有高输入阻抗、低输出阻抗、低功耗、高频带宽等特点，在电子设备中得到广泛应用。
2. 结构和工作原理2.1 结构MOS管的基本结构包括栅极（Gate）、漏极（Drain）和源极（Source）三个部分。
栅极与源极之间通过绝缘层隔离，形成了一个电容，被称为栅氧化物层或栅介质层，常用的材料是二氧化硅。
2.2 工作原理MOS管是一种控制型器件，其工作原理基于场效应。
当施加在栅极上的电压发生变化时，会在源-漏通道中形成或消失一个导电路径。
这个导电路径的状态由栅极-源结附近的电场来控制。
当没有外加电压时，栅极与源极之间的电势差为零，此时MOS管处于截止状态，导电路径断开。
当施加一个正向电压时，栅极-源结形成反型结，导致MOS管处于放大状态。
当施加一个负向电压时，栅极-源结形成正型结，导致MOS管处于截止状态。
MOS管的工作原理可以用以下公式表示：I D=μC ox WL(V GS−V TH)2其中： - I D为漏极电流 - μ为迁移率 - C ox为栅氧化物层的电容 - W/L为通道宽度和长度的比值 - V GS为栅极与源极之间的电压 - V TH为阈值电压3. MOS管的分类3.1 N沟道MOS管（NMOS）N沟道MOS管是一种以N型材料作为主体材料的场效应管。
在N沟道MOS管中，漏极和源极都是N型材料。
3.2 P沟道MOS管（PMOS）P沟道MOS管是一种以P型材料作为主体材料的场效应管。
在P沟道MOS管中，漏极和源极都是P型材料。
3.3 CMOSCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）是由N沟道MOS管和P沟道MOS管组成的互补对。
mos 场效应管
mos 场效应管MOS场效应管简介MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)场效应管是一种常用的电子器件，广泛应用于各种电路中。
它是一种三端器件，由金属、氧化物和半导体构成。
MOS场效应管具有很多优点，如高输入电阻、低功耗、低噪声、可靠性高等，因此在现代电子技术中得到了广泛的应用。
MOS场效应管的工作原理是利用栅极电压的变化来控制源极和漏极之间的电流。
当栅极电压为零时，MOS管处于截止状态，源极和漏极之间没有电流流过。
而当栅极电压发生变化时，MOS管就会进入放大区。
通过调节栅极电压的大小，可以控制输出电流的大小，实现信号放大的功能。
MOS场效应管有两种常见的工作模式，分别是n沟道MOSFET和p沟道MOSFET。
n沟道MOSFET中，导电沟道是由n型半导体构成的，而p沟道MOSFET中，导电沟道是由p型半导体构成的。
这两种类型的MOS管在工作原理和特性上有所不同。
MOS场效应管有许多应用。
在模拟电路中，它可以用作放大器、开关和运算放大器等。
在数字电路中，它可以用作开关和逻辑门。
此外，MOS管还可以用于存储器、时钟电路、功率放大器等。
由于MOS管具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，因此被广泛应用于集成电路中。
MOS场效应管还有一些特殊的类型，如MOS场效应管阻止型、增强型和耗尽型。
阻止型MOSFET在截止状态下有较高的电阻，而增强型MOSFET在截止状态下具有很低的电阻。
耗尽型MOSFET则是指在截止状态下，导电沟道上存在正电荷，使得电流得以流动。
MOS场效应管也有一些局限性。
由于其结构的复杂性，制造工艺相对较为复杂，成本较高。
此外，MOS管在高温和高压环境下容易受到损坏。
因此，在一些特殊的应用中，需要选择其他类型的器件来替代MOS管。
MOS场效应管是一种重要的电子器件，广泛应用于各种电路中。
它具有很多优点，如高输入电阻、低功耗等，被广泛应用于模拟电路和数字电路中。
然而，MOS管也有一些局限性，需要在实际应用中加以注意。
MOS场效应管
MOS场效应管MOS晶体管金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。
MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-ICMOSFET的结构MOSFET是Metal-Oxide-Silicon Field Effect Transistor的英文缩写，平面型器件结构，按照导电沟道的不同可以分为NMOS和PMOS器件。
MOS器件基于表面感应的原理，是利用垂直的栅压VGS实现对水平IDS的控制。
它是多子（多数载流子）器件。
用跨导描述其放大能力。
MOSFET晶体管的截面图如图1所示在图中，S＝Source，G=Gate,D=Drain。
NMOS和PMOS在结构上完全相像，所不同的是衬底和源漏的掺杂类型。
简单地说，NMOS是在P型硅的衬底上，通过选择掺杂形成N 型的掺杂区，作为NMOS的源漏区；PMOS是在N型硅的衬底上，通过选择掺杂形成P型的掺杂区，作为PMOS的源漏区。
如图所示，两块源漏掺杂区之间的距离称为沟道长度L，而垂直于沟道长度的有效源漏区尺寸称为沟道宽度W。
对于这种简单的结构，器件源漏是完全对称的，只有在应用中根据源漏电流的流向才能最后确认具体的源和漏。
器件的栅电极是具有一定电阻率的多晶硅材料，这也是硅栅MOS器件的命名根据。
在多晶硅栅与衬底之间是一层很薄的优质二氧化硅，它是绝缘介质，用于绝缘两个导电层：多晶硅栅和硅衬底，从结构上看，多晶硅栅-二氧化硅介质-掺杂硅衬底(Poly-Si--SiO2--Si)形成了一个典型的平板电容器，通过对栅电极施加一定极性的电荷，就必然地在硅衬底上感应等量的异种电荷。
这样的平板电容器的电荷作用方式正是MOS器件工作的基础。
MOS管的模型MOS管的等效电路模型及寄生参数如图2所示。
图2中各部分的物理意义为：（1）LG和RG代表封装端到实际的栅极线路的电感和电阻。
六种场效应管
六种场效应管一、结型场效应管结型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是基于栅极电压改变二氧化硅（SiO2）层中电荷分布来实现对漏极电流的控制。
它的工作特点是在工作过程中不需要很大的功耗，并且具有良好的噪声特性。
在电子设备中，结型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
二、绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是通过在二氧化硅（SiO2）绝缘层上覆盖金属薄膜来实现对源极和漏极之间的控制。
由于没有栅极氧化层与半导体之间的电容，因此其输入电阻非常高，并且具有低噪声特性。
在电子设备中，绝缘栅型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
三、MOS型场效应管MOS型场效应管是一种单极场效应管，其工作原理是通过在金属-氧化物-半导体（MOS）结构上施加电压来改变电荷分布实现对漏极电流的控制。
它的优点是输入电阻高、驱动电流小、功耗低、易于集成等。
在电子设备中，MOS型场效应管通常用于放大、振荡、开关等电路中。
四、高电子饱和迁移率型场效应管高电子饱和迁移率型场效应管是一种具有高电子饱和迁移率的单极场效应管。
它的工作原理是通过改变栅极电压来改变半导体内部的电子饱和迁移率实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
五、高电子饱和迁移率型场效应管高电子饱和迁移率型场效应管是一种具有高电子饱和迁移率的双极场效应管。
它的工作原理是通过改变栅极电压来改变半导体内部的电子饱和迁移率实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
六、结型双极型场效应管结型双极型场效应管是一种双极场效应管，其工作原理是基于栅极电压改变半导体内部的电子和空穴浓度实现对漏极电流的控制。
它的优点是具有高速响应和低功耗特性，适用于高速数字电路和模拟电路中。
同时，它还具有较好的噪声特性和稳定性，适用于各种复杂的电子设备中。
mos管 场效应管
mos管场效应管摘要：1.引言2.什么是MOS 管和场效应管3.MOS 管和场效应管的工作原理4.MOS 管和场效应管的特性比较5.MOS 管和场效应管的应用领域6.结论正文：MOS 管和场效应管是两种不同类型的半导体器件，它们都具有放大和开关等功能，广泛应用于各种电子设备中。
下面将从它们的定义、工作原理、特性比较和应用领域等方面进行详细介绍。
1.引言MOS 管（Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，金属- 氧化物- 半导体晶体管）和场效应管（Field Effect Transistor，场效应晶体管）是两种常见的半导体器件，它们在现代电子设备中扮演着重要角色。
本文将对这两种器件进行详细解析，以帮助读者更好地理解它们的工作原理和应用。
2.什么是MOS 管和场效应管MOS 管是一种三端半导体器件，由金属导电层、氧化物绝缘层和半导体基片组成。
它的主要功能是控制电路中的电流流动，具有高输入阻抗、低噪声和低功耗等特点。
场效应管是一种四端半导体器件，由源极、漏极、栅极和衬底组成。
它的主要功能是通过改变栅极电势来调节源漏电流，具有响应速度快、驱动能力强和可控制的电流增益等特点。
3.MOS 管和场效应管的工作原理MOS 管的工作原理：当栅极施加正向电压时，栅极和源极之间的绝缘层上会形成一个正向电场。
这个电场可以吸引源极处的电子，使其向栅极方向运动。
如果这个电子流足够大，就会形成一个电流，从而导致MOS 管的导通。
场效应管的工作原理：当栅极施加正向电压时，栅极和源极之间的绝缘层上会形成一个正向电场。
这个电场会使得源极处的电子被吸引到靠近栅极的位置，从而减小源极和漏极之间的电阻。
如果栅极电压足够大，源漏电流将显著增加，从而导致场效应管的导通。
4.MOS 管和场效应管的特性比较MOS 管和场效应管在特性上有一定的差异。
MOS 管具有更高的输入阻抗、更低的工作电压和更小的功耗，但驱动能力较弱；而场效应管具有更强的驱动能力、更高的电流增益和更快的响应速度，但输入阻抗和功耗相对较差。
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g +
vgs gmvgs
s
ic
d +
rds vds
-
ib
b
+
vbe rbe
-
gmvbe
e
ic
c +
rce vce
-
▪ 由于场效应管IG0，所以输入电阻rgs 。 而三极管发射结正偏，故输入电阻rbe较小。
▪ rds为场效应管输出电阻： rds1/(IDQ) 与三极管输出电阻表达式 rce1/(ICQ) 相似。
• MOS管仅依靠一种载流子（多子）导电，故 称单极型器件。
• 三极管中多子、少子同时参与导电，故称双 极型器件。
伏安特性
由于MOS管栅极电流 为零，故不讨论输入特 性曲线。
共源组态特性曲线：
IG0 VG+-S
ID
+
T VDS
-
输出特性： ID= f ( VDS ) VGS = 常数 转移特性： ID= f ( VGS ) VDS = 常数 转移特性与输出特性反映场效应管同一物理过程， 它们之间可以相互转换。
DMOS
P
D
ID
U G
S
P沟道 DMOS
VGS=0时，导电沟道已存在
S U
G
D
N+
P+
P+
N
沟道线是实线
D
ID
U G
S
NDMOS管伏安特性
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =1V
ID/mA
0. 5V
0V
-0. 5V
- 1V -1. 5V
0
-1. 8V
VDS /V
VGS(th)
IB
-
-
S
S
E
▪ 场效应管G、S之间开路 ，IG0。
三极管发射结由于正偏而导通，等效为VBE(on) 。
▪ FET输出端等效为压控电流源，满足平方律方程：
ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h)
三极管输出端等效为流控电流源，满足IC= IB 。
3.1.4 小信号电路模型
MOS管简化小信号电路模型(与三极管对照)
S -VGS + G
D
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
N+ A
P
P+
N+
N+
A P
▪ 若VDS 继续→A点左移→出现夹断区
此时
VAS =VAG +VGS =-VGS(th) +VGS （恒定）
若忽略沟道长度调制效应，则近似认为l 不变（即Ron不变）。 因此预夹断后： VDS →ID 基本维持不变。
N沟道EMOSFET结构示意图
衬底极
电路符号
源极
US
金属栅极
GD W
D
G S
P+
U
N+
N + P+
l
P
沟道长度
பைடு நூலகம்
漏极
沟道 宽度
SiO2 绝缘层
P型硅 衬底
N沟道EMOS管工作原理
➢ N沟道EMOS管外部工作条件
• VDS > 0 (保证栅漏PN结反偏)。 • U接电路最低电位或与S极相连(保证源衬PN结反偏)。
工作在饱和区时，MOS管的正向受控作用，服 从平方律关系式：
ID nC 2O lW X(VGS VGS()2 th)
若考虑沟道长度调制效应，则ID的修正方程：
ID nC 2O lW X(VG SVGS)(2th1)V V D AS
nC 2 O lW X(V G S V GS)2 (1 t h)V DS
|VGS| > |VGS(th) | ， |VDS | < | VGS – 非饱和区（可变电阻区VG）S(数th) 学| 模型
ID nC lOW X(V GS V GS)(V tD h)S
FET直流简化电路模型(与三极管相对照)
ID
IG0
DG
+
ID
IB
DB
+
IC
C
G
VGS ID(VGS )
VBE(on)
估算法
场效应管估算法分析思路与三极管相同，只是由 于两种管子工作原理不同，从而使外部工作条件有 明显差异。因此用估算法分析场效应管电路时，一 定要注意自身特点。
▪ MOS管截止模式判断方法
+VDS -
S +VGS- G
D
U
N+
P+
P+
D ID
U G
N
S
N沟道EMOS管与P沟道EMOS管工作原理相似。 不同之处：电路符号中的箭头方向相反。
外加电压极性相反、电流ID流向相反。 即 VDS < 0 、VGS < 0
3.1.2 耗尽型MOS场效应管
DMOS管结构
S U
G
D
N沟道
P+
N+
N+
U
P+
N+
P
反型层
D
N+
VGS 开启电压VGS(th) 表面层 n>>p 形成N型导电沟道
VGS越大，反型层中n 越多，导电能力越强。
• VDS对沟道的控制（假设VGS > VGS(th) 且保持不变）
-VDS +
-VDS +
S -VGS + G
D
S -VGS + G
D
U
U
P+
N+
N+
P+
N+
N+
第三章 场效应管
3.1 MOS场效应管 3.2 结型场效应管 3.3 场效管应用原理
概述
场效应管是另一种具有正向受控作用的半导体器件。 它体积小、工艺简单，器件特性便于控制，是目前 制造大规模集成电路的主要有源器件。
场效应管分类： MOS场效应管
结型场效应管
场效应管与三极管主要区别：
• 场效应管输入电阻远大于三极管输入电阻。 • 场效应管是单极型器件（三极管是双极型器件）。
MOS管保护措施： 分立的MOS管：各极引线短接、烙铁外壳接地。
MOS集成电路：
D1 D2
T D1 D2一方面限制VGS间 最大电压，同时对感 生
电荷起旁路作用。
➢ NEMOS管转移特性曲线
转移特性曲线反映VDS为常数时，VGS对ID的控制作 用,可由输出特性转换得到。
ID/mA
VDS = 5V
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V
➢ NEMOS管输出特性曲线
非饱和区
ID/mA
沟道预夹断前对应的工作区。
VDS = VGS –VGS(th)
条件： VGS > VGS(th) V DS < VGS–VGS(th)
特点： ID同时受VGS与VDS的控制。 0
VGS =5V
4.5V 4V 3.5V
VDS /V
当VGS为常数时，VDSID近似线性，表现为一种电阻特性；
ID
S NDMOS
ID
S PEMOS
ID
D
ID
U
S PDMOS
ID
0 VGS(th) VGS
VGS(th) 0 VGS
VGS(th) 0 VGS
0 VGS(th VGS
)
饱和区（放大区）外加电压极性及数学模型
▪ VDS极性取决于沟道类型 N沟道：VDS > 0， P沟道：VDS < 0
▪ VGS极性取决于工作方式及沟道类型 增强型MOS管： VGS 与VDS 极性相同。 耗尽型MOS管： VGS 取值任意。
考虑到衬底电压vus对漏极电流id的控制作用，小信 号等效电路中需增加一个压控电流源gmuvus。
id
g
+
vgs
-
gmvgs
gmuvus rds
s
d +
vds
-
gmu称背栅跨导，工程上 gmuviD us Q gm 为常数，一般 = 0.1~ 0.2
MOS管高频小信号电路模型 当高频应用、需计及管子极间电容影响时，应采 用如下高频等效电路模型。
其中： 称沟道长度调制系数，其值与l 有关。 通常 =( 0.005 ~ 0.03 )V-1
截止区
ID=0以下的工作区域。 条件： VGS < VGS(th) 沟道未形成时的工作区
ID/mA VDS = VGS –VGS(th) VGS =5V 4.5V
特点： IG≈0，ID≈0 相当于MOS管三个电极断开。 0
3.1 MOS场效应管
MOSFET
增强型（EMOS） N沟道（NMOS） P沟道（PMOS） N沟道（NMOS）
耗尽型（DMOS） P沟道（PMOS）
N沟道MOS管与P沟道MOS管工作原理相似，不 同之处仅在于它们形成电流的载流子性质不同，因 此导致加在各极上的电压极性相反。
3.1.1 增强型MOS场效应管
▪ 饱和区数学模型与管子类型无关
ID C 2 O lW X(VGS VGS()t2h)
临界饱和工作条件
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | = | VGS – 饱和区（放大区）工作VG条S(件th) |
|VGS| > |VGS(th) |， |VDS | > | VGS – 非饱和区（可变电阻区VG）S(工th) 作| 条件