数字电子技术基础（十五）—

数字电子技术基础（十五）——MOS管的简单介绍

1 MOS的简单介绍

1.1 MOS简介

1.2 MOS管的基本结构

1.3 MOS管工作时的三个区域

1.4 MOSEF的结构的工作原理

1 MOS的简单介绍

1.1 MOS简介

绝缘栅型场效应管，简称MOS管，全称为金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），是一种常见的半导体器件。在计算机的CPU中，MOS管是构成逻辑门（如与门、或门、非门等）的基本单元。

相较于双极性构成的TTL门电路，MOS管构成的门电路具有一下优势：

除了构成门电路之外。CMOS还可以构成双向开关，双向开关可以实现对于数字信号的双向传输和对于传递连续变换的模拟信号，还可以利用MOS管极间电容的存储电容效应组成动态存储器件。

对于MOS集成电路可以分为PMOS集成电路、NMOS集成电路和互补型MOS集成电路（CMOS集成电路）如下所示：

由于CMOS的更低的功率和更快的速度，CMOS集成电路成为数字电路中主流技术。

1.2 MOS管的基本结构

如下图所示为N沟道的MOS三维图片：

再上图中，有四个字母，分别是s、g、d、B四个，分别代表不同的意思。

s：是source的简写，表示的意思为源极。
g：是Gate的简写，表示的意思是栅极。
d：是Drain的简写，表示的意思是漏极。
B：是Bulk的简写，表示的意思是衬底。

N沟道的MOS管的平面图如下所示：

使用标准符号来表示为：

简化方式为：

P沟道的MOS管的平面图如下所示：

在上图中， $V_{DS}$ 表示的是漏极和源极之间的电压，而 $V_{GS}$ 表示的是栅极和源极之间的电压。

P沟道的MOS管使用标准符号来表示为：

简化符号如下所示：

1.3 MOS管工作时的三个区域

如下所示为N沟道的MOS管的电路输出曲线：

（图片参考的是图片）

在上面图，有三个区域，分别是放大区、饱和区和截止区。截止区是指在D和S之间加横向电场也不会导通，没有导通的原因是没有沟道的情况下，两个沟道之间隔着的衬底相当于背靠背的PN结，PN结的单向导电性是无论怎样加电场都不会导通，截止区在图像的最下面。

加了垂直的正向电场，横向电场加的不是很强，D、S对外等效于一个电阻，电阻的大小和垂直电场的大小成正比，垂直电场越高，形成的沟道越宽，对外来说形成的电阻值越小，对应的是饱和区。

在 $V_{GS}$ 一定的情况下，横向电场加大，即 $V_{DS}$ 加大，开始时电流随电场增大而增大，一定程度之后开始进入了恒流区，此时沟道就夹断了，这是处于放大区。

对于N型沟道的三个工作区域对应的模型如下所示（参考清华大学王红老师的数字电子技术基础课程）：

（1）截止区

此时 $V_{GS}<V_{TH}$ （ $V_{TH}$ 表示的是开启电压）：

（2）饱和区

此时 $V_{GS}\geqslant V_{TH}$ ， $V_D<V_{Dsat}$ ：

（3）放大区

此时 $V_{GS}\geqslant V_{TH}$ ， $V_D\geqslant V_{Dsat}$ ：

对于P型沟道的三个工作区域对应的模型如下所示：

（1）截止区

此时 $V_{GS}>V_{TH}$ ：

（2）饱和区

此时 $V_{GS}\leqslant V_{TH}$ ， $V_{DS}>V_{Dsat}$ ：

（3）放大区

$V_{GS}\leqslant V_{TH}$ , $V_{DS}\leqslant V_{Dsat}$

1.4 MOSEF的结构的工作原理

如下所示N沟道的MOS管的平面示意图：

P型半导体表面涂了一层很薄的 $SiO_2$ 绝缘层，在绝缘层表面连接铝电极作为栅极G，在半导体表面生成两块高掺杂的N型区域。N型区又分别接触两电极，与P型衬底短接的是源极S，另一个是漏极D，这两块N型区域与P型半导体在交接面形成了PN结。如下所示：

用二极管符号代替PN结，可以看到这是两个背靠背的二极管连接在一起。在栅极和源极之间加入一个直流电压源 $U_{DS}$ ，此时无论漏源电压的正负极性如何，两个PN结一定有一个是处于反偏截止状态。如下所示：

即使将栅极和源极短接，如下所示：

在漏源电压的作用下，靠近漏极这一侧的PN结还是反偏截止的，此时MOS管工作于截止区。如下图所示：

此时处于上面的截止区，此时截止区 $U_{GS}=U_{TH}$ 。

在当前漏源电压下，靠近漏源电压的作用下，靠近漏极这一侧的PN结，还是反偏截止的呈现高阻态，相当于开关断开的状态，如下图所示：

由于MOS管的源极和P型衬底短接的，当我们在栅极和源极之间加入正向栅极电压是，在 $SiO_2$ 绝缘层内部会产生一个指向P型半导体的内电场，如下图所示：

这个内电场排斥空穴，吸引半导体的少数载流子——电子，到半导体表面聚集形成电子薄层。如下所示：

随着栅源电压值的上升，越来越多的电子被吸引到半导体表面上来，当栅源电压等于开启电压时，电子薄层可以将两块N型区域连接在一起，形成漏极和源极的导电沟道，称为N型沟道。

此时在加入漏源电压，就会有漏极电流产生，这个漏极电流是沿导电沟道，从漏极到源极的。如下图所示：

简化符号如下所示：

MOS管工作在可变电阻区，如下所示：

此时工作在可变电阻区，由于沟道畅通无阻，沟道对外阻值很小，因而漏极D与源极S之间相当于开关闭合的状态。如下图所示：

由于P沟道增强型MOS管只有在栅极和源极之间加入负向的栅源电压，吸收空穴到N型半导体上面来，形成P型导电沟道，因而漏极电流的方向与NMOS管的方向正极相反，是沿着导电沟道从源极流向漏极的方向。简化图像如下图所示：

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