MOS 场效应管的工作原理及特点
N沟道增强型MOS管的工作原理
N沟道增强型MOS管的工作原理
N沟道增强型MOS管（NMOS）是一种常见的场效应管(fET)，在N沟道增强型MOS管中，沟道导电能力可以通过适当的电压调节，从而导致开关体的导电能力发生明显变化。
其工作原理可以从材料结构、电场分布和电流传输三个方面进行解释。
1.材料结构：
NMOS的基本结构由P型衬底、N型沟道区域、P型源/漏极和绝缘层组成。
在衬底上形成一个绝缘层，然后再在上面形成一层N型沟道区域，称之为负载掺杂。
2.电场分布：
当N沟道增强型MOS管处于关闭状态时，沟道区域中没有电子通过，因此沟道区域的电势保持高电势，并阻断了N型衬底的连接。
当施加一个正的门极电压（如VGS），沟道区域中的P型区域受到吸引，形成了一个N型沟道连接了N型衬底和P型源/漏极，从而允许电流通过。
3.电流传输：
当门极电压（VGS）增加，沟道中的电子数量增加，导致增强模式下的导电能力增加，电流也随之增加。
沟道中电子的移动速度受电子迁移率的影响，通常电子迁移率很高，因此电子能够很快地通过沟道区域。
当N 沟道增强型MOS管处于开启状态时，电流可以从源极流向漏极。
总结起来，N沟道增强型MOS管的工作原理可以通过施加门极电压改变沟道区域的电势，从而控制电流的通过。
当门极电压为零时，NMOS处于关闭状态，电流无法通过。
当施加一个正的门极电压时，沟道区域中的
P型区域受到吸引，形成了一个N型沟道连接了N型衬底和P型源/漏极，从而允许电流通过。
NMOS具有许多优点，包括低功耗、快速开关速度和较高的集成度。
它在许多电子设备中广泛应用，如数字逻辑电路、微处理器和存储器芯片等。
场效应管工作原理
场效应管⼯作原理场效应管⼯作原理MOS场效应管电源开关电路。
这是该装置的核⼼，在介绍该部分⼯作原理之前，先简单解释⼀下MOS 场效应管的⼯作原理。
MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor（⾦属氧化物半导体场效应管）的缩写。
它⼀般有耗尽型和增强型两种。
本⽂使⽤的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。
它可分为NPN型PNP型。
NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。
由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。
我们知道⼀般三极管是由输⼊的电流控制输出的电流。
但对于场效应管，其输出电流是由输⼊的电压（或称电场）控制，可以认为输⼊电流极⼩或没有输⼊电流，这使得该器件有很⾼的输⼊阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
为解释MOS场效应管的⼯作原理，我们先了解⼀下仅含有⼀个P—N结的⼆极管的⼯作过程。
如图6所⽰，我们知道在⼆极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，⼆极管导通，其PN结有电流通过。
这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电⼦被吸引⽽涌向加有正电压的P型半导体端，⽽P型半导体端内的正电⼦则朝N型半导体端运动，从⽽形成导通电流。
同理，当⼆极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电⼦被聚集在P型半导体端，负电⼦则聚集在N型半导体端，电⼦不移动，其PN结没有电流通过，⼆极管截⽌。
对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前⾯分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截⽌状态（图7a）。
当有⼀个正电压加在N沟道的MOS 场效应管栅极上时，由于电场的作⽤，此时N型半导体的源极和漏极的负电⼦被吸引出来⽽涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电⼦聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从⽽形成电流，使源极和漏极之间导通。
通俗易懂讲解MOS管
通俗易懂讲解MOS管什么是MOS管？MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。
因此，MOS管有时被称为绝缘栅场效应管。
在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。
1、MOS管的构造在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作为漏极D和源极S。
然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅（Si02）绝缘层膜，在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极，作为栅极G。
这就构成了一个N沟道（NPN型）增强型MOS管。
显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。
图1-1所示 A 、B分别是它的结构图和代表符号。
同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区，及上述相同的栅极制作过程，就制成为一个P沟道（PNP型）增强型MOS 管。
下图所示分别是N沟道和P沟道MOS管道结构图和代表符号。
2、MOS管的工作原理增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。
当栅-源电压VGS=0时，即使加上漏-源电压VDS，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道（没有电流流过），所以这时漏极电流ID=0。
此时若在栅-源极间加上正向电压，即VGS＞0，则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场，由于氧化物层是绝缘的，栅极所加电压VGS无法形成电流，氧化物层的两边就形成了一个电容，VGS等效是对这个电容充电，并形成一个电场，随着VGS逐渐升高，受栅极正电压的吸引，在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道，当VGS大于管子的开启电压VT（一般约为 2V）时，N沟道管开始导通，形成漏极电流ID，我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，一般用VT表示。
MOS 场效应管的工作原理及特点
MOS 场效应管的工作原理及特点场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N沟道器件和P 沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET（Metal Oxide SemIConductor FET）。
MOS场效应管有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。
P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。
一、工作原理1．沟道形成原理当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。
耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识.
功率场效应晶体管(MOSFET)基本知识功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。
由于其易于驱动和开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
但因为其电流、热容量小，耐压低，一般只适用于小功率电力电子装置。
一、电力场效应管的结构和工作原理电力场效应晶体管种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分。
在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力场效应晶体管导电机理与小功率绝缘栅MOS管相同，但结构有很大区别。
小功率绝缘栅MOS管是一次扩散形成的器件，导电沟道平行于芯片表面，横向导电。
电力场效应晶体管大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流的能力。
按垂直导电结构的不同，又可分为2种：V形槽VVMOSFET和双扩散VDMOSFET。
电力场效应晶体管采用多单元集成结构，一个器件由成千上万个小的MOSFET组成。
N沟道增强型双扩散电力场效应晶体管一个单元的部面图，如图1(a)所示。
电气符号，如图1(b)所示。
电力场效应晶体管有3个端子：漏极D、源极S和栅极G。
当漏极接电源正，源极接电源负时，栅极和源极之间电压为0，沟道不导电，管子处于截止。
如果在栅极和源极之间加一正向电压UGS，并且使UGS大于或等于管子的开启电压UT，则管子开通，在漏、源极间流过电流ID。
UGS超过UT越大，导电能力越强，漏极电流越大。
二、电力场效应管的静态特性和主要参数Power MOSFET静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。
1、静态特性（1）输出特性输出特性即是漏极的伏安特性。
特性曲线，如图2(b)所示。
mos管在电源电路中的作用
mos管在电源电路中的作用【导语】电源电路作为电子设备中非常重要的一部分，承担着为电子设备提供稳定、可靠电源的功能。
而MOS管（MOSFET）作为电源电路中的关键元件之一，具有独特的特性和广泛的应用。
本文将从简单介绍MOS管的基本原理开始，逐步展开对MOS管在电源电路中的作用进行深入探讨，从而帮助读者全面了解该主题。
【正文】一、MOS管的基本原理MOS管全称金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），它是一种半导体器件，借助电场效应来控制电流。
基本结构由金属门极、氧化物绝缘层和半导体基片组成。
其核心原理是通过变化门极电场来控制漏极和源极之间电流的通断，从而实现对电流的控制。
二、MOS管的工作模式MOS管根据工作模式的不同可分为三种类型：开关型，线性型和饱和型。
开关型MOS管用于电路开关控制，能够在两个极端状态之间进行快速切换，具有低电流损耗和高开关速度的优点。
线性型MOS管则用于对信号进行放大和处理，具有较高的输入电阻和输出电阻。
而饱和型MOS管结合了开关型和线性型的特点，适用于对电流要求较高的应用场景。
三、MOS管在电源电路中的作用1.开关电源中的应用MOS管在开关电源中扮演着重要的角色。
开关电源以其高效、稳定的特性而广泛应用，在电脑、通信设备等领域得到了大规模的应用。
MOS管作为开关电源中的关键元件，能够实现快速、稳定的开关和调节功能，帮助实现输出电压的调节和稳定性的保证。
2.直流-直流转换器中的应用直流-直流转换器（DC-DC Converter）也是电源电路中的重要组成部分。
MOS管在DC-DC Converter中常常用于功率开关和能量转换，通过控制MOS管的导通与截止，实现输入电压与输出电压的转换。
MOS管能够高效地将电能从输入端传送到输出端，帮助实现电能的转化与传输，在电源电路中发挥着至关重要的作用。
MOS场效应管工作原理及特性(1)
常用半导体器件原理
MOS场效应管工作原理 及特性曲线(1)
西电丝绸之路云Байду номын сангаас堂
孙肖子
∙1∙
绝第缘四栅章场效应管(I常GF用ET半) 导体器件原理
绝缘栅场效应管的结构、类型及符号
半半 半半 半半
S GD
型型 S
G
D
半 半 半 ( SiO2 )
A1型
NP++
PN++
半 半 半
L
NP半 半 半
B
半半半 (SiO2)
D常用半导体器件原理
半 半 半 ( SiO 2 )
N＋
N＋
型型型型
半半半
P 型型型型
B 型型型型
MOS
EMOS( 半 半 半 )
N半 半
D
P半 半
D
B
B
G
G
DMOS( 半 半 半 )
N半 半
D
P半 半
D
B
B
G
G
S
ENMOS
S
EPMOS
S
DNMOS
S
DPMOS
∙3∙
N沟道增强型M第OS四管章
常用半导体器件原理
W
PN+＋
NP＋+ 半 半 半
型型型型
NP 型 型 型 型
B 型型型型
绝缘栅场效应管由金属-氧化物-半导体构成(Metal-
Oxide-Semiconductor)，故又简称为MOSFET。导电沟道平行于表
面。且栅极与沟道是绝缘的,栅极电流为零 iG=0。
∙2∙
MOS管类型及 符号
型 型第四S 章 G
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。
它的输入电阻可高达1015W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。
场效应管也称为MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。
在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。
绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。
每种又有增强型和耗尽型两类。
下面简单介绍它们的工作原理。
1、增强型绝缘栅场效应管2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。
在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。
然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G。
另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。
它的栅极与其他电极间是绝缘的。
图6-38(b)所示是它的符号。
其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。
图6-38 N沟道增强型场效应管场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。
从图6-39(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。
当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。
若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。
当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。
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MOS 场效应管的工作原理及特点
场效应管是只有一种载流子参与导电，用输入电压控制输出电流的半导体器件。
有N沟道器件和P 沟道器件。
有结型场效应三极管JFET(Junction Field Effect Transister)和绝缘栅型场效应三极管IGFET( Insulated Gate Field Effect Transister) 之分。
IGFET也称金属-氧化物-半导体三极管MOSFET
（Metal Oxide SemIConductor FET）。
MOS场效应管
有增强型（Enhancement MOS 或EMOS）和耗尽型(Depletion)MOS或DMOS）两大类，每一类有N沟
道和P沟道两种导电类型。
场效应管有三个电极：
D(Drain) 称为漏极，相当双极型三极管的集电极；
G(Gate) 称为栅极，相当于双极型三极管的基极；
S(Source) 称为源极，相当于双极型三极管的发射极。
增强型MOS(EMOS)场效应管
道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2 薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。
在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。
P型半导体称为衬底(substrat)，用符号B表示。
一、工作原理
1．沟道形成原理
当Vgs=0 V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压，不会在D、S间形成电流。
当栅极加有电压时，若0＜Vgs＜Vgs(th)时（VGS(th) 称为开启电压），通过栅极和衬底间的电容作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，出现了一薄层负离子的耗尽层。
耗尽层中的少子将向表层运动，但数量有限，不足以形成沟道，所以仍然不足以形成漏极电流ID。
进一步增加Vgs，当Vgs＞Vgs(th)时，由于此时的栅极电压已经比较强，在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，可以形成沟道，将漏极和源极沟通。
如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流ID。
在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层（inversion
layer）。
随着Vgs的继续增加，ID将不断增加。
在Vgs=0V时ID=0，只有当Vgs＞Vgs(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。
VGS对漏极电流的控制关系可用iD=f(vGS)|VDS=const这一曲线描述，称为转移特性曲线，见图。
转移特性曲线斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。
gm 的量纲为mA/V，所以gm也
称为跨导。
跨导的定义式如下：
gm=△ID/△VGS|
(单位mS)
2．Vds对沟道导电能力的控制
当Vgs＞Vgs(th)，且固定为某一值时，来分析漏源电压Vds对漏极电流ID的影响。
Vds的不同变化对沟
道的影响如图所示。
根据此图可以有如下关系
VDS=VDG＋VGS= —VGD＋VGS
VGD=VGS—VDS
当VDS为0或较小时，相当VGD＞VGS(th)，沟道呈斜线分布。
在紧靠漏极处，沟道达到开启的程度以上，
漏源之间有电流通过。
当VDS 增加到使VGD=VGS(th)时，相当于VDS增加使漏极处沟道缩减到刚刚开启的情况，称为预夹断，
此时的漏极电流ID基本饱和。
当VDS增加到VGD<VGS(th)时，预夹断区域加长，伸向S极。
VDS增加的部分基本降落在随之加长的
夹断沟道上，ID基本趋于不变。
当VGS＞VGS(th)，且固定为某一值时，VDS对ID的影响，即iD=f(vDS)|VGS=const这一关系曲线如图
02.16所示。
这一曲线称为漏极输出特性曲线。
二、伏安特性
1．非饱和区
非饱和区（Nonsaturation Region）又称可变电阻区，是沟道未被预夹断的工作区。
由不等式VGS>VGS(th)、VDS<VGS-VGS(th)限定。
理论证明，ID与VGS和VDS的关系如下：
2．饱和区
饱和区(Saturation Region)又称放大区，是沟道预夹断后所对应的工作区。
由不等式VGS>VGS(th)、
VDS>VGS-VGS(th) 限定。
漏极电流表达式：
在这个工作区内，ID受VGS控制。
考虑厄尔利效应的ID表达式：
3．截止区和亚阈区
VGS<VGS(th)，沟道未形成，ID=0。
在VGS(th)附近很小的区域叫亚阈区（Subthreshold Region）在这
个区域内，ID与VGS的关系为指数关系。
4．击穿区
当VDS 增大到足以使漏区与衬底间PN结引发雪崩击穿时，ID迅速增加，管子进入击穿区。
四、P沟道EMOS场效应管
在N型衬底中扩散两个P+区，分别做为漏区和源区，并在两个P+之间的SiO2绝缘层上覆盖栅极金属层，
就构成了P沟道EMOS管。
耗尽型MOS（DMOS）场效应管
N 沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如图3-5所示，它是在栅极下方的SiO2绝缘层中掺入了大量的金属正离子。
所以当VGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。
于是，只要有漏源电压，就有漏极电流存在。
当VGS＞0时，将使ID进一步增加。
VGS＜0时，随着VGS的减小漏极电流逐渐减小，直至ID=0。
对应ID=0的VGS称为夹断电压，用符号VGS(off)表示，有时也用VP表示。
N沟道耗尽型
MOSFET的转移特性曲线见图所示。
N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线
P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。
这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。