模电：MOS管的工作原理

场效应管，不费电，消耗的功率少。

集成度越高，散热越难，功率消耗的问题，是变成了我们这种集成电路的一个瓶颈，而场效应管的出现，为这种瓶颈的解决起了一个很大的作用，

场效应管FET

它的基本原理是靠电场效应来控制这个管子，电场效应的好处几乎是没点电流的，没电流的话几乎是没有功率付出的，从控制的回路来说，我消耗的功率非常非常小，这是它非常打的好处，而且它的输入电阻非常高，因为它没电流，它还有一个好处是什么呢，这种场效应管，不像晶体三极管，晶体三极管是双极型的，有两种载流子参与导电自由电子和空穴，多子和少子，温度对它的影响很大，而场效应管只有一种粒子在参与导电，多子参与导电，所以它的温度稳定性要好的多。

从大的方面来说一个是结型场效应管，还有一种绝缘栅型场效应管，两大类

先以绝缘栅型为主要讲解

绝缘栅型用的地方很多，而且很大程度上可以替代结型的很多特性，它还有个名字叫金属氧化物半导体场效应晶体管全称MOSFET，或者简称MOS管，在它的基础上，造出了CMOS电路

我们以N沟道增强型MOS管来介绍它的基本工作原理。

N沟道增强型MOS管

一个P型的参杂浓度比较低的大的P型半导体，在左边扩散一个N型区，在右边有扩散一个N型区，在大P型半导体上接了一个电极，我们把这个大的P型半导体叫做衬底，在衬底下面结了一个基极b

然后在左边的N接了一个电极叫s，右边的电极接了一个电极叫d，

这块是二氧化硅，绝缘的，这层二氧化硅特别薄，非常非常薄，在二氧化硅上趴了一个极版，这个基板接出一个极g，这个g叫做栅极，栅极是一种控制器，s是源极，什么意思呢，载流子的源泉，发源地，d是漏极，我们叫它在载流子的露出处，可以和三极管对应一下g是基极b，s是发射极e，d是集电极c，但是原理不一样，所以你现在知道它为什么叫绝缘栅了把，因为栅极是跟谁都绝缘，它就孤零零的爬在二氧化硅上，跟谁都绝缘，所以肯定省电，控制栅极g，栅极不可能有电流。

工作原理

我们想一想，三极管有两大作用，一个放大作用，一个开关作用，如果我想让MOS管跟它有同样的作用的话，我MOS管要放大的话，那肯定我的栅极要控制某一个输出量，要不控制电压，要不控制电流，总归是一个东西要控制才能放大，就像ib控制ic一样，栅极也要控制东西。

从工作的原理我们来看看，你看这的一块没法用

因为什么，很明显，既然已经定义了那是s，那是d，就跟我那个c和e之间，我c和e之间一定要有电流，也就是我s和d之间得有电流，但是现在不可能。

这两个画圈的是啥呢，一定要注意一点，有P和有N交界的地方，就一定有什么，一定有PN结

所以那两个东西是PN结，现在没法玩了，从s出来的东西，可以到d么，要跨越千山万水啊，其实用水池子来形容的话，那俩个N都是小水塘，里面都有自由电子，在小水塘里，但是这小水塘之间过不来，这个水没有这个渠，没有通的那个渠，过不来而且左边N+右边的边是一个堤坝，右边N+左边的边也是个堤坝，中间那块也过不去，因为那是P区，会产生复合运动，那么怎么才能让它有用呢，还得是有大用，原理很简单。

一般来说，绝缘栅型管子有两种构造，一种是外面就是三根电极，这三根电极怎么来呢，实际上是在出场的时候，就会把源极跟衬底接在一起

还有一种是四个极的话，那就是衬底是单独的，一旦衬底是单独的，d和s可以互换，，d和s没区别，不像三极管c和e区别很大，它d和s之间没区别，几乎没区别，如果B单独拎出来的话，d和s可以互换，但是连在一起的话，我们习惯上把和b连在一起的我都是s源极，，这样连上之后，我的d和s之间，第一步，我的栅源之间不加电压，当我栅源不加电压的时候，肯定是没有电流的，然后我现在整个的开始是，我d和s之间不加电压，我有好几个可以加电压的地方，我栅极可以加电压，d和s也可以加电压，，我现在d和s先不加电压，如果一起加就麻烦了，事情就变复杂了，这是一种分析方法，当我有多个变量控制一个东西的时候，我比较简单的方法是什么，一个一个来看，然后再谈他们耦合的问题，Uds我先让它等于0，然后我加一个Ugs上去大于0，开始加，当你开始加ugs的时候，你会发现一个线现象，情况变得越来越糟，开始一加电压的时候，电场是从上向下的，它会把这个附近的空穴，在电场力的作用下全踢走。

这个加的电压是对于PN结来说是反向电压，N接正极,P接负极，所以内外电场方向一致，相当于反偏，所以是少子在运动，多子会被势垒挡住，而少子是个坑，所以少子在运动

使这里变成几乎没有载流子的耗尽层，我的耗尽层变大了，如果加到这就不加了，那就over了，形象点，出现了黎明前的黑暗，你接着再往下加电压，在大，把ugs在往上升，你会发现，

这底下，你有少子啊，这个区域很大，它的少子是什么，自由电子，这时候它干的工作是两样了，一个是把空穴全给踢跑了

第二件事把自由电子给吸上去了，每次看到这的时候很可爱，这自由电子上去了，我们就形成了一个什么呢，沟道，自由电子形成了沟道，像把两个水塘之间，挖出一个沟，，如果用中国的神话估算来讲的话，特别形象牛郎织女，这些喜鹊被吸引上去，达成了一个鹊桥，然后这块就导通了，不管是鹊桥还是沟道，总之构成了一个反型层，这个时候自由电子全上去了，

这快构成了一个反型层，使得他们之间导通了，这个沟渠，挖就挖出来了，所以这个沟道里面的多子是谁，是自由电子，这个沟道是什么名字，是什么型，是N型沟道，所以现在知道为什么叫N沟道了吧，它把自由电子吸上去，所以构成了N沟道，为什么吸，因为电场力是正电荷，少子是负电荷，异种电荷相互吸引，这个沟道一旦形成，这回一个很可爱的东西就形成了，如果UGS不变，沟道的宽度会不会变，沟道的宽度几乎也不变，沟道宽度跟什么相关呢，跟UGS大小，UGS越高，沟道越宽，ugs越小，沟道越窄，沟道的宽窄决定了什么，电阻，因为，电压越高，沟道越宽，沟道越宽，说明自由电子越多，自由电子的多少，就决定了导电能力的强弱，自由电子越多，导电能力越强，对电流的阻碍就越小，所以沟道越宽，d和s之间的电阻越小，沟道越窄，d和s之间的电阻就越大，沟道不变，d和s之间的电阻也就不变，(把沟道看成一个导体的话，导体越宽，电阻越小，因为电阻的大小跟宽度有关，)所以你得到了什么，d和s之间得到了一个什么特性，你得到了一个可以用电压控制的可变电阻器，这个时候，所以他表现出来的话，是你ugs它决定了rds，当ugs不变的时候rds不变，gus变，rds也变，所以在这个状态下，我的d和s之间获得的场效应管，就想一个可变电阻器，它是什么呢，是一个电压控制的可变电阻器，既然它已经变成一个电阻的东西了，下一部分我让我的d和s之间产生电流，那就是一件非常简单的事情了，我怎么让d和s之间有点电流啊，.........................有电压就有电流，你d和s不是一个电阻么，那我就再d和s之间加一个电压，我加一个电压，我自然就在这个电阻上产生电流，我d和s上面有电流了，所以下一步要看，怎么把这个电流加上去

第二步，

我们可以看到，什么时候沟道形成呢，这时候我们有一个电压叫做ugsth，这个叫做开启电压，当ugs大于ugsth的时候沟道开始形成，当ugs小于ugsth的时候没有沟道，还是一个绝缘的状态，d和s之间没有电流，当我这样一大于它的话，就出现了，我现在要研究uds对电流的作用，那我的研究方法是什么呢，我让ugs大于ugsth然后保持ugs不变，然后把usd弄上去，然uds不在等于0了，而且让它逐渐上升。

如果这个时候画曲线的话，去猜测，我刚开始加uds的时候，当然前提是我对应了一个ugs，对应某一个ugs

我最开始一定是这样，因为我rds是一个电阻，我在电阻两端加电压，电阻两端的电压和电阻两端通过的电流自然是一根直线，线性关系，这时候它表现为一个固定的电阻，这个电阻的大小，或者这个斜率跟谁相关，ugs，对于某一个固定的ugs，接着往上张，会长成什么样呢。

看这，随着ugs的增大，这块开始变倾斜了，为什么，沟道的宽度是和ugs相关，咱们之间说的是ugs，实际上是那两点之间的电压，左边N的+好上面的边，和下面的边，这个电压越大沟道越宽，现在看右边N的电位，和左边的N电位还相等么，不相等，右边比左边高，高多少uds，所以可以看到，左边N的电压差还是ugs，而右边N的电压差已经变成ugs-uds，电压差变小，随着uds不断加大，右边电压会不断减小，会越来越窄，但是在它没有封闭之前，这个画圈的地方的阻值还是保持不变的。

这个情况在什么情况出现，那右边N两点电位变成ugsth，这样的话我们就说出现了一个叫预夹断

问一个问题，它会不会真夹断，不会的吗，一但断了没电流了，就没压降了，空隙就又打开了，所以它是一个自动的一个平衡状态，这里并没有真的夹断，实际上留了一个小缝，出现一个非常小的缝隙，它关不断，除非你一开始就是关断的，这里是关不断，只是说变成一个很小的缝隙，这个时候很有意思的现象出现了，你再加大uds，你会发现这个缝隙会变长，缝隙变长换来的的代价是什么呢，rds电阻变大，缝隙越长，rds电阻越大，，因为电阻的大小也与导体长度有关，然后你得到了一个很有意思的东西，这个时候你会发现id几乎不变。

这块几乎不变，近似的出现了一个恒流，因为你增加的电压都去抵抗，那个增加的电阻了，它实际上在自己在平衡，自动的平衡，因为你电流一小，电压也就会小它和缝隙之间的关系就发生变化，

由于自由电子在缝隙高速通过，所以它的电阻阻会增大，这个增大正好和电压的增大抵消，出现一个近似的恒流。

所以这个区域以这里为分界，出现了两部分，第一个部分是左边电阻不变的，是针对ugs1不变，而ugs1变，电阻就变，所以这个区域是一个可变电阻区，像一个可变电阻器一样，而上面的区域是什么什么区，恒流区域，这个恒流区域就很有意思，恒流区域如果解释出来的话，这里电流id只听谁的话，只和谁相关，ugs1.

再画一个，ugs2大于ugs1，线画在上面，因为ugs2大于ugs1的话，rds电阻就小，电阻小，斜率就大，，相同的电压下，电流就高

这是ugs2曲线

当在有一个ugs3小于ugs1时，

只看虚线那块的话，你会发现你的ids只会和ugs相关，，说明什么，在这种恒流区，你得到了一个这样的向往已久的特性，栅极和源极之间的电压能够控制ids的电流，换句话说id电流，和栅极源极之间的电压，成比例。

但是千万别进入画圈的那个区域，ugs和id成比例么，不是的，在那个区域他们不成比例，不是单一的成比例关系，ugs和uds共同决定了谁，id，而在恒流区不是，只有ugs'在决定ids，，我们把这种控制关系拉出来的话，就近似我的三极管ib和ic的关系，这是我要用场效应关放大的这样一个状态，

所以场效应关这个应用，它这个工作状态很简单，如果你的ugs没有大于ugsth，那就什么也不用谈，截至，d和s之间截至，沟道没有形成，后面就出现两个了，当你的ugs大于ugsth，如果你的uds不过分的话，不是很大的话，不是预夹断的话，这时候d和s表现为一个电阻，这个电阻的大小由ugs决定，这个区域叫可变电阻区，可以得到一个压控的可变电阻器，但是当ugs足够大，事情并没有变坏，而是进入了另一个境界，这个时候你的ugs，可以控制id，所以ugs什么时候可以控制id，预夹断之后进入恒流区，这是前提条件，不是什么时候都可以控制的，这个时候你可以用这个区域去放大

可以导通，可以截至，这是场效应管

那么这个整个场效应管，我们可以称之为绝缘栅型的N沟道增强型场效应管，N沟道现在知道了，增强型什么意思，我一定的有ugs大于ugsth这个增强过程，它才能导通，这是它跟结型不同的地方，结型是天升导通的。

符号

这是N沟道增强型的 ，那块的虚线说明是没有沟道的

 

栅极是绝缘的，跟谁都不搭界，自己飘在那，漏极源极，中间想拉一个沟道出来，这个沟道天生是断的，需要增强了之后才能形成，衬底b的箭头什么含义，注意箭头的运用都是指的PN接结方向，，我的衬底是P型，箭头往那指，这是什么沟道，N沟道，懂了吧，N沟道由于天生是断的，所以需要增强增强型，绝缘栅型场效应管。

这里栅极P指向N说明沟道是P型的，所以它是P沟道增强型MOS管。

N沟道耗尽型MOS管

 

这里还有一个问题，它天生是断的，我得给它加点外力，我得把那个ugs让它大于uhgsth，它才能形成沟道，天生沟道是没有的，我能不能做出一种天生沟道有的，结型天生就有沟道，不用加电压，一样能导通，天生就能导通，这是结型，那我绝缘栅型能不能这样呢，肯定可以，绝缘栅型的话，自然会有一个N沟道的一个耗尽型，当然也会有P沟道，它是一种耗尽型

它会什么样呢，他的原理是什么呢，那块是二氧化硅，然后我在二氧化硅里面天生固定了一大堆正电荷，让二氧化硅带正电，带正电强大到什么程度呢，一带正电不是有电场么，强大到，沟道天生产生，，耗尽型的原理就是这样，就是让那天生有沟道，天生有沟道的话，当然这种东西拿过来就可以用了，ds直接加上就可以用了你加正向电压也可以，ugs加正向电压沟道变大，ugs加反向电压沟道变小，，加到什么时候沟道没有呢，有一个参数叫ugsoff，我们把这个电压叫夹断电压，比如说它要加到某一个负电压的值的时候，它才能怎么样，关断，真正关断，我的ugs只要大于ugsoff，我的场效应管都可以用，一直属于开通的，都没截至，也就说你ugs既可以是正的又可以是负的，其他的用法跟增强型一样

那么耗尽型的，也就是那块我天生加了一个正极板，所以才出现这样一个东西.

那么耗尽型场效应管，它的符号，跟增强型有什么区别，天生沟道就形成了