【模电知识总结】MOS管

一、MOS管是什么？

MOS管全称叫金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种压控器件。

MOS管属于场效应晶体管。

其中增强型NMOS与PMOS是应用最多的种类，也是本文要介绍的内容。

二、结构与工作原理

在一个P型基底上生成两块N型半导体，再加上两个金属电极形成源极和漏极。

给源极和漏极加上电，不能导通，因为两者之间相当于两个背靠背的二极管。此时MOS管始终截止。

怎样让源极和漏极可以导通？

在P型半导体上加一个很薄的二氧化硅绝缘层（下图中红色薄片），又在绝缘层上制作了金属极板（下图中黑色薄片），形成栅极。

注意：栅极极板以前一般为铝，现在一般使用多晶硅

在栅极上也加上正向电压，栅极与P型半导体形成一个电容，并形成一个电场，电场方向从栅极指向P型半导体，在电场的作用下，P型半导体一侧空穴受到排斥，电子得到吸引，该区域自由电子数量开始增加，但MOS管仍不导通。

栅极电压继续增大，自由电子进一步增加，当栅极电压达到一个阈值电压VTH后，此时P型半导体转变为N型半导体（反型层），连通漏极和源极，即形成了N沟道（即供电子通过的沟道）。此时MOS管导通。

注：该结构中导电沟道是N型的，所以是N沟道。

三、输出特性

1、VDS不变，VGS改变

VGS主要影响导电沟道的宽度。

当VGS < VTH时，导电沟道未形成，MOS管处于截止区，这种情况称为MOS管被夹断；
当VGS = VTH时，导电沟道开始形成；
当VGS > VTH时，随着VGS的增大，沟道宽度也加大，阻力也变小，能通过的电流也变大。这也就是为什么驱动大功率设备，VGS不能太小的原因，太小内阻太大，导致MOS管发热严重。

这也就是说，MOS管的内阻可以通过VGS来调节。

2、VGS固定，VDS改变

前提:VGS大到可以形成沟道。

VDS将引起漏极电流的变化。

当VDS较小时，随着电压增大，电流iD线性增大，此时MOS管满足欧姆定律。与这一过程同时发生的是随着VDS的增加，沟道两端的电势差开始不等。

VGD > VTH阶段：在VDS=0V时，沟道两端的电势相等（VGS = VGD），两端沟道宽度相等。当VDS增加时，VGS 保持不变，VGD=VGS - VDS逐渐减小，这导致沟道变窄（栅极与衬底电势差越小，沟道越窄），这限制了电子的流动，虽然被限制，但电流大小一直在增加，只是增加速率减小了。

VGD = VTH阶段：VDS继续增加，沟道越来越窄，直到进入临界状态，沟道靠漏极一端趋于夹断，但由于电流的连续性，沟道无法真正夹断（称为预夹断），留有极窄的通道，电子在里面高速通过，此时漏极电流几乎达到最大值，此时的电流称为饱和电流（此时MOS成了一个恒流源），发生该电流的电压称为饱和电压（每一个VGS对应一个饱和电流和饱和电压）。

包括前两个阶段在内的MOS管都处于可变电阻区。在该区MOS管相当就是一个由VGS控制的可变电阻

VGD < VTH阶段：VDS进一步增大，电流基本不会改变，MOS管进入饱和区。说是不改变，但还是会有所增加。这称为沟道长度调制效应，这里不做讨论。

四、答疑

1、进入饱和区，若想加大电流该怎么做？

答：增加栅极电压，以扩大沟道宽度，此时到沟道再次被夹断所通过的电流也会增大。

2、MOS管的特性

答：（1）MOS管的栅极输入阻抗非常高
因为SiO2绝缘层的存在，MOS管输入阻抗达上亿欧姆，导致栅极电流几乎被完全阻断，栅极功耗几乎为0。
  （2）MOS管的栅极容易被静电击穿（MOS管是一个ESD敏感器件）
因为栅极输入阻抗很大，栅极上的感应电荷很难释放，它产生的高压很容易就把很薄的绝缘层给击穿。

为什么会产生高压？
U=Q/C
MOS管的极间电容很小，一点点电荷积累就会产生高压！因此用手指触摸栅极就可以使MOS管导通。

怎么解决？
在实验中栅极悬空很风险，很多时候就因为这样爆管，栅极接个下拉电阻对地，旁路搅扰信号就不会直通了，一般选10~20K（为什么？经验值，太大泄放速度慢，太小功耗增加）。这个电阻称为栅极电阻（可泄放栅极积累的电荷）。但这么做的代价就是控制极产生了能耗，原本几乎是0耗能的。
  （3）导通电阻低，可以做到几个毫欧的电阻，极低的传导损耗
  （4）开关速度快，开关损耗低，理论上可以达到几十MHz或以上，特别适应PWM输出模式。

3、为什么叫MOS管？

下面是MOS管的全称，可以看出MOS管的名称是根据结构与材质来的，它体现的是MOS管的“三明治”结构。

4、增强型N沟道MOS管符号解释

5、既然MOS管是一个对称结构，SD极是否可以互换？

不能！因为衬底与S相连，使对称结构成为不对称结构，规定与衬底相连的一极为S极。

6、源漏栅名字的由来

源：电子从源极进入沟道
漏：电子出去的地方，电子从源极流向漏极，漏极从沟道收集电子
栅：门、控制端

7、MOS管为什么称为电压型器件？

因为栅极的电压控制着电流从漏极向源极的流动，不仅控制能不能流过，还控制流过的大小。

8、寄生二极管哪儿来的？

S极与衬底内部连接，左边的PN结失去作用，只剩下右边的PN结，电流不能从D极通过PN结进入S极，因此对于NMOS来说，S极必须接低电压一端，D极必须接高电压一端，如果反过来，电流就直接从S流到D了，MOS管就直接导通了。MOS管也就不可控了。

9、增强型名字的由来

原本在UGS=0的时候，不存在反型层，而随着UGS的增加，反型层逐步出现并加厚（沟道加深），这个过程类似一个反型层增强的过程，因此定名。

10、为什么要把衬底接地？

为了形成电容！

五、NMOS与PMOS

NMOS是栅极高电平(VGS > Vt）导通,低电平断开。

PMOS是栅极低电平(VGS < Vt）导通,高电平断开。

参考资料

1、MOS管开关设计知识-（五种MOS管开关电路图方式）https://blog.csdn.net/qq_42597971/article/details/87918727
2、为什么单片机I/O口驱动MOS管时，不是直接驱动，而是经过三极管https://baijiahao.baidu.com/s?id=1647928518386326774&wfr=spider&for=pc
3、看懂MOS管的每一个参数！请收藏 https://www.sohu.com/a/319803899_465219
4、视频：Mos管的工作原理https://www.bilibili.com/video/BV1344y167qm
5、视频：MOS管工作原理https://www.bilibili.com/video/BV1Ly4y1178Q
6、视频：MOSFET是如何工作的https://www.bilibili.com/video/BV1hQ4y1M7HJ
7、视频：【知识】扔掉教科书 5分钟带你入门MOS管https://www.bilibili.com/video/BV1Co4y1Q7rN
8、https://www.youtube.com/watch?v=rkbjHNEKcRw
9、《模拟电子学基础》
10、https://blog.csdn.net/weixin_42328389/article/details/123922558