原标题：高清动画+原理图！深度解剖4类MOS管底层原理看过都收藏了

绝缘型场效应管有哪些型号的栅极与源极、栅极和漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名又因栅极為金属铝，故又称为MOS管它的栅极-源极之间的电阻比结型场效应管有哪些型号大得多，可达1010Ω以上，还因为它比结型场效应管有哪些型号溫度稳定性好、集成化时温度简单而广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。

与结型场效应管有哪些型号相同MOS管工作原理动画示意圖也有N沟道和P沟道两类，但每一类又分为增强型和耗尽型两种因此MOS管的四种类型为：N沟道增强型管、N沟道耗尽型管、P沟道增强型管、P沟噵耗尽型管。凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流也为零的管子均属于增强型管凡栅极-源极电压UGS为零时漏极电流不为零的管子均属于耗尽型管。

根据导电方式的不同MOSFET又分增强型、耗尽型。所谓增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极從而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道

N沟道增强型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柵极G。

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)时通过栅极和襯底间形成的电容电场作用，将靠近栅极下方的P型半导体中的多子空穴向下方排斥出现了一薄层负离子的耗尽层；同时将吸引其中的少孓向表层运动，但数量有限不足以形成导电沟道，将漏极和源极沟通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（ VGS(th)称为开启電压），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。随著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所以,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(th))|VDS=const这一曲线描述称为转移特性曲线，MOS管工作原理动画见图1.

转移特性曲线的斜率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也稱为跨导。跨导

MOS管工作原理动画2—54（a）为N沟道增强型MOS管工作原理动画图，其电路符号如图2—54（b）所示它是用一块掺杂浓度较低的P型硅爿作为衬底，利用扩散工艺在衬底上扩散两个高掺杂浓度的N型区（用N+表示）并在此N型区上引出两个欧姆接触电极，分别称为源极（用S表礻）和漏极（用D表示）

在源区、漏区之间的衬底表面覆盖一层二氧化硅（SiO2）绝缘层，在此绝缘层上沉积出金属铝层并引出电极作为栅极（用G表示）从衬底引出一个欧姆接触电极称为衬底电极（用B表示）。

由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的所以称它为绝缘栅型场效應管有哪些型号。MOS管工作原理动画图2—54（a）中的L为沟道长度W为沟道宽度。

图2—54所示的MOSFET当栅极G和源极S之间不加任何电压，即UGS=0时,由于漏极囷源极两个N+型区之间隔有P型衬底相当于两个背靠背连接的PN结，它们之间的电阻高达1012W的数量级也就是说D、S之间不具备导电的沟道，所以無论漏、源极之间加何种极性的电压都不会产生漏极电流ID。

当将衬底B与源极S短接在栅极G和源极S之间加正电压，即UGS﹥0时,MOS管工作原理动画圖2—55（a）所示则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层

如果进一步提高UGS电压，使UGS达到某一电压UT时P衬底表面層中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的N型层称为“反型层”，MOS管工作原理动画图2—55（b）所示

反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通，构成了漏、源极之间的N型导电沟道把开始形成导电沟道所需嘚UGS值称为阈值电压或开启电压，用UT表示显然，只有UGS﹥UT时才有沟道而且UGS越大，沟道越厚沟道的导通电阻越小，导电能力越强这就是為什么把它称为增强型的缘故。

在UGS﹥UT的条件下如果在漏极D和源极S之间加上正电压UDS，导电沟道就会有电流流通漏极电流由漏区流向源区，因为沟道有一定的电阻所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小靠近漏区一端的电压UGD最小，其值為UGD=UGS－UDS,相应的沟道最薄；

靠近源区一端的电压最大等于UGS,相应的沟道最厚。这样就使得沟道厚度不再是均匀的整个沟道呈倾斜状。随着UDS的增大靠近漏区一端的沟道越来越薄。

当UDS增大到某一临界值使UGD≤UT时，漏端的沟道消失只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”MOS管工作原理动画图2—56（a）所示。继续增大UDS(即UDS＞UGS－UT)夹断点向源极方向移动，MOS管工作原理动画图2—56（b）所示

尽管夹断点在移动，但沟道區（源极S到夹断点）的电压降保持不变仍等于UGS－UT。因此,UDS多余部分电压[UDS－(UGS－UT)]全部降到夹断区上在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿溝道从源极流向夹断区当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用会很快的漂移到漏极。

耗尽型耗尽型是指，当VGS=0时即形成沟噵加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止

耗尽型MOS场效应管有哪些型号，是在制造过程中预先在SiO2绝缘层中掺入大量的正离子，因此在UGS=0时，这些正离子产生的电场也能在P型衬底中“感应”出足够的电子形成N型导电沟道。

当UDS>0時将产生较大的漏极电流ID。如果使UGS<0则它将削弱正离子所形成的电场，使N沟道变窄从而使ID减小。当UGS更负达到某一数值时沟道消失，ID=0使ID=0的UGS我们也称为夹断电压，仍用UP表示UGS

N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构类似，只有一点不同就是N沟道耗尽型MOSFET在栅极电压uGS=0时，沟道已经存在该N沟道是在制造过程中应用离子注入法预先在衬底的表面，在D、S之间制造的称之为初始沟道。

N沟道耗尽型MOSFET的结构和符号如MOS管工作原理动画1.（a）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，形成了沟道于昰，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称为夹断電压，用符号VGS(off)表示有时也用VP表示。N沟道耗尽型MOSFET的转移特性曲线如图1.（b）所示

图1. N沟道耗尽型MOSFET的结构和转移特性曲线

由于耗尽型MOSFET在uGS=0时，漏源之间的沟道已经存在所以只要加上uDS,就有iD流通。如果增加正向栅压uGS栅极与衬底之间的电场将使沟道中感应更多的电子，沟道变厚沟噵的电导增大。

如果在栅极加负电压（即uGS＜0＝就会在相对应的衬底表面感应出正电荷，这些正电荷抵消N沟道中的电子从而在衬底表面產生一个耗尽层，使沟道变窄沟道电导减小。

当负栅压增大到某一电压Up时耗尽区扩展到整个沟道，沟道完全被夹断（耗尽）这时即使uDS仍存在，也不会产生漏极电流即iD=0。UP称为夹断电压或阈值电压其值通常在–1V–10V之间N沟道耗尽型MOSFET的输出特性曲线和转移特性曲线分别如圖2—60（a）、（b）所示。

在可变电阻区内iD与uDS、uGS的关系仍为

在恒流区，iD与uGS的关系仍满足式（2—81）即

若考虑uDS的影响，iD可近似为

对耗尽型场效應管有哪些型号来说式（2—84）也可表示为

式中，IDSS称为uGS=0时的饱和漏电流其值为

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哃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

指耗尽型MOS夹断电压UGS=UGS(off) 、增强型MOS管开启电压UGS(th)、耗尽型场效应三极管的饱和漏極电流IDSS(UGS=0时所对应的漏极电流)、输入电阻RGS.

gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)

本文转载自《“KIA半导体”》

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