MOS管内部结构和工作原理

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MOS 管内部结构

  左图为 npn 型三极管，通过三极管结构对比看 MOS 管，下边进行分析 MOS 内部结构。
    1. 符号 
         漏极 D 对应三极管集电极 C，源极 S 对应三极管发射极 E，栅极 G 对应三极管基极 B，同时 MOS 管还有个衬底 B 
    2. 掺杂浓度(N 型掺杂)
         三极管是发射极 E 区最高，集电极 C 区是最低的
        MOS 管的漏极 D 和源极 S 掺杂浓度是一样的，而且很高，用 N + 表示
         高掺杂的原因：N 区高浓度掺杂是为了在建立导通沟道后，有更多的载流子流动，导电率更好。
    3. 二氧化硅氧化物(Oxide，绝缘层)
         三极管是没有的
         在 DS 左边加入一层二氧化硅绝缘层，一般几十 μm，绝缘性比较强，有 "耐压方面的要求"(下边给出解释)。
    4. 整体结构与分析
         栅极 G 也叫门极，在 SiO2 氧化物上引出了一个黑色金属氧化物，栅极在金属氧化物上引出
         从原理图符号(右上角) 看，MOS 管是个三端口器件，但 MOS 管内部结构式不一样的，DS 之间需要在 P 区引出一个电极，衬底 B。
         栅极 G 和衬底 B 之间因为中间氧化物绝缘层存在，相当于电容两个极板，构成了电容正负极板，如果此时加入电场作用，栅极 G 接电源正端，衬底 B 接电源负端，此时在电容极板上电场方向如下图（左 -> 右），在极板左端 (金属氧化物上) 聚集正电荷，右端 (p 区靠近绝缘层侧) 聚集负电荷(自由电子)。
         大量电子聚集在 P 区绝缘层一侧，会在 DS 之间建立起导电沟道，因为 N 区掺杂多子是自由电子。从沟道建立来看，是 N 型的，所以叫 NMOS, 而 NMOS 本身是截止的，需要外加电场作用形成 DS 导通沟道，这也是为什么叫增强型的原因。
        "导电沟道也叫反型层"。理想上，导电沟道是越宽越好，沟道越宽，导通电阻越小。而沟道的宽度又是与极板上聚集的电子数量有关，与 Cgb 电容两端电压相关，Cgb 两端电压越高，在极板两端聚集的正负电荷对就越多，那在负极板上形成的 N 区导电沟道就越宽。
          所以 "MOS 管的导通，在控制上只需在 GB 之间加入一个 Vgb 的控制电压"，那这个导通电压具体多大合适，不能太小，如果太小导通沟道不够还是太窄，必须让它 "彻底导通"，一般来说，"Vgb≥10V" 即可。

  有个细节问题，如果 MOS 管彻底导通与 Vgb 电压有关，那 Vgb 电压是不是越大越好。
    1. 二氧化硅绝缘层虽然绝缘性很强，但它只有几十 μm 的厚度，所以耐压是有上限的，一般是±20V 或±25V，具体看手册。如果这样的话，为什么不从工艺上将绝缘层做厚一些，让耐压更高，建立的沟道更宽。
    2. 沟道的宽窄可以用一个指标来衡量，"Rds 导通电阻"。
        Rdson 为导通之后的电阻，Rdsoff 为关断电阻。
         实际上，经过验证当 Vgb≥10V 时，Rdson 导通电阻已经很小了，此时再增大 Vgb 电压，不考虑耐压，Rdson 导通电阻的下降已经很小，可以说忽略不计，所以工艺上绝缘层一般为几十 μm 是有这一层因素在。
     在实际电路设计中，一般使用的标称电压为 12V、15V 驱动 MOS 管，都是大于 10V 的。

  上述分析，MOS 管之所以称为场效应管，本质上是 GB 之间正负极板构成的电场效应。

R_dson导通电阻(拓展)

 Rds(on)电阻: 是指 "通道电阻以及从 D 端子到 S 端子的电阻(包含其它 N 层的电阻、电线、引线框架等的电阻)"
      仅做了解即可，不需深究。

MOS 管工作原理

  上图所示，该模型在书本上看到较多。
    M: 金属氧化物（黑色金属部分），早期用铜、铝金属比较多，现在更多使用的是多晶硅，是一种半导体，严格意义上已经不算金属了，由于历史原因，一直沿着了 Metal 这个名字。
    O:Oxide,SiO2 绝缘层氧化物(青色部分)
    S:Semiconductor, 半导体(所有的半导体，P 区和 N 区)

"阴影部分" 为 P 区衬底和 N 区之间的耗尽层
    "耗尽层中绝大部分是负离子，只有少数正离子"。从图中也能看出来，N 区的掺杂用 N + 表示，所以 N 区掺杂是比 P 区要高的多的，耗尽层的形成是 P 区和 N 区的浓度差产生扩散运动的一种结果。很明显，N 区的浓度更高，所以有更多的多子自由电子跑向 P 区，最终与 P 区空穴结合产生负离子。相对的 P 区多子为空穴，但是 P 区掺杂浓度较低，只有少数空穴跑向 N 区与 N 区自由电子结合，所以 N 区的正离子是比较少的。所以最终的结果就是耗尽层中负离子是占了大部分，只有少数的正离子，最终形成的正离子层就比较薄了，图中也就没有表示出来。
     可以看到栅极 G 的金属氧化物是分别向左右两边延长了一点，目的是为了在耗尽层区域在电场作用下产生自由电子，最终建立 DS 导通沟道。

  现在再来看 p 型半导体为什么称为衬底或 Body，按照上图这个模型分析，P 区相对整体来说占了很大一部分，是一个主体，而 N 区相当于主体中的两个小块。在 P 区衬底中，多子是空穴，少子是自由电子，这部分少子承担着 MOS 管的导通作用。

  在 DS 之间加一个电压，需要保证这个电压不能超过 DS 之间的耐压，没有击穿风险，这时的 DS 之间是几乎没有电流 Id 的(极小的漏电流可以忽略)。
      只有 DS 电压，MOS 管是不会导通的，日常使用 MOS 管更多作开关使用，这个时候需要在 GB 之间加入一个正向压降，通过 GB 这个竖向电场，控制 DS 的横向电场导通。
      由于 MOS 管是 DS 和 GB 是从同一个电源系统来的，DS 是主功率回路，GB 是控制回路，电源相对较小，一般在 12V、15V 就可以。通过 GB 弱信号控制 DS 的大功率信号，在 MOS 管内部 "由于 DS 和 GB 是在同一个电源系统，GB 之间 B 端为负压，DS 之间 S 端也为负压，这两个电源不是隔离的，都在同一个电源系统，可以是不同的压降"，所以在工艺制作上，内部就把漏极 S 和衬底 B 连接一起了。可以看图中 MOS 管符合，箭头处的横杆就相当于 B 极，和 S 极连一起表示了，最终用漏极 S 进行示意，这也是为什么符号中没有 B 极。

  上图这个等效模型的接线方法就比较清晰了
      只需在 GS 之间加入一个控制信号，就能控制 DS 之间的导通截止了。