N沟道增强型MOS管的工作原理

N沟道增强型MOS管的工作原理
N沟道增强型MOS管（NMOS）是一种常见的场效应管(fET)，在N沟道增强型MOS管中，沟道导电能力可以通过适当的电压调节，从而导致开关体的导电能力发生明显变化。

其工作原理可以从材料结构、电场分布和电流传输三个方面进行解释。

1.材料结构：
NMOS的基本结构由P型衬底、N型沟道区域、P型源/漏极和绝缘层组成。

在衬底上形成一个绝缘层，然后再在上面形成一层N型沟道区域，称之为负载掺杂。

2.电场分布：
当N沟道增强型MOS管处于关闭状态时，沟道区域中没有电子通过，因此沟道区域的电势保持高电势，并阻断了N型衬底的连接。

当施加一个正的门极电压（如VGS），沟道区域中的P型区域受到吸引，形成了一个N型沟道连接了N型衬底和P型源/漏极，从而允许电流通过。

3.电流传输：
当门极电压（VGS）增加，沟道中的电子数量增加，导致增强模式下的导电能力增加，电流也随之增加。

沟道中电子的移动速度受电子迁移率的影响，通常电子迁移率很高，因此电子能够很快地通过沟道区域。

当N 沟道增强型MOS管处于开启状态时，电流可以从源极流向漏极。

总结起来，N沟道增强型MOS管的工作原理可以通过施加门极电压改变沟道区域的电势，从而控制电流的通过。

当门极电压为零时，NMOS处于关闭状态，电流无法通过。

当施加一个正的门极电压时，沟道区域中的
P型区域受到吸引，形成了一个N型沟道连接了N型衬底和P型源/漏极，从而允许电流通过。

NMOS具有许多优点，包括低功耗、快速开关速度和较高的集成度。

它在许多电子设备中广泛应用，如数字逻辑电路、微处理器和存储器芯片等。

N沟道MOS管的结构及工作原理N沟道金属-氧化物-半导体场效应管(MOS管)的结构及工作原理结型场效应管的输入电阻虽然可达106～109W，但在要求输入电阻更高的场合，还是不能满足要求。

而且，由于它的输入电阻是PN结的反偏电阻，在高温条件下工作时，PN结反向电流增大，反偏电阻的阻值明显下降。

与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅极处于绝缘状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达1015W。

它的另一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。

MOS管也有N沟道和P沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽型两种，二者的区别是增强型MOS管在栅-源电压vGS=0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压vDS（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（iD=0）。

而耗尽型MOS管在vGS=0时，漏-源极间就有导电沟道存在。

一、N沟道增强型场效应管结构a) N沟道增强型MOS管结构示意图(b) N沟道增强型MOS管代表符号 (c) P沟道增强型MOS管代表符号在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极d和源极s。

然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。

另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。

显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图 1(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。

代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。

P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示。

二、N沟道增强型场效应管工作原理1．vGS对iD及沟道的控制作用MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。

从图1(a)可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。

N沟道和P沟道MOS管工作原理N沟道MOSFET（NMOS）的工作原理是利用负电压加在接近沟道区域的电极上，形成一个负电荷区域，使电子在沟道内移动。

当NMOS的栅极电压高于沟道电压时，电子将被吸引到NMOS的沟道区域。

这将导致沟道中的电子数量增加，形成一个导电通道。

电子通过沟道流动时，NMOS处于导电状态，可将电流从源极到漏极引导。

当栅极电压低于沟道电压时，电子无法通过沟道流动，NMOS处于截止状态。

P沟道MOSFET（PMOS）的工作原理则相反。

利用正电压加在接近沟道区域的电极上，形成一个正电荷区域，吸引电子从沟道区域离开。

当PMOS的栅极电压低于沟道电压时，电子将被吸引到PMOS的沟道区域。

这将导致沟道中的电子数量减少，形成一个导电通道。

电子通过沟道流动时，PMOS处于导电状态，可将电流从漏极到源极引导。

当栅极电压高于沟道电压时，电子无法通过沟道流动，PMOS处于截止状态。

NMOS和PMOS的主要区别在于沟道区域的掺杂类型。

NMOS的沟道区域是正掺杂的P型半导体，而PMOS的沟道区域是负掺杂的N型半导体。

这种不同的掺杂类型导致了不同的工作原理和电子流动方式。

MOSFET是现代集成电路中最常用的晶体管结构之一、它具有高度的集成度、低功耗和控制灵活性，广泛应用于数字电路和模拟电路中。

在数字电路中，NMOS和PMOS通常用于构建逻辑门电路，如与门、或门和非门。

在模拟电路中，MOSFET经常用作可变电阻、放大器和开关等各种功能的基本构建单元。

总之，N沟道和P沟道MOSFET的工作原理是通过施加电场来控制沟道区域的电子流动，从而实现电流的导通和截止。

这种电场效应的工作方式使得MOSFET能够在集成电路中发挥重要的作用。

/slzlly/blog/item/dc861508f1bfe935e8248853.htmlMOS管工作原理（转）2008-07-12 07:06双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。

双极型晶体管的增益就（beta）。

另一种晶体管，叫做场效应管（FET），把输入电压的变化转化为输出电流的变化。

分别为电流控制器增益等于它的跨导(transconductance)gm，定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。

场效应管的名字也来源于它的输入端栅（称为gate），通过投影一个电场在一个绝缘层（氧化物SIO2)上来实上没有电流流过这个绝缘体（只是一个电容的作用），所以FET管的GATE电流非常小（电容的电流损耗）。

最硅来作为GATE极下的绝缘体。

这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，或,金属氧化物半导体场效应管（semicondutor field effect transistor）。

因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极首先考察一个更简单的器件－MOS电容－能更好的理解MOS管。

这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是他们之间由一薄层二氧化硅分隔开（图1.22A）。

金属极就是GATE，而半导体端就是backgate或者body or bul 的绝缘氧化层称为gate dielectric。

图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。

这个MOS 电容的电特gate接不同的电压来说明。

图1.22A中的MOS电容的GATE电位是0V。

金属GATE和半导体BACKGATE在WORK FUN 上）上的差异在电介质（氧化层的上下）上产生了一个小电场。

图示的器件中，这个电场使金属极带轻微的正电的空穴多，电子少，故需要从别处"抢来"电子，所以氧化物处电子少了，故GATE极带正电），P型硅负电位（相硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。

N沟道增强型MOSFET ——Notes全称：N-Metal-Oxide-SemiconductorN沟道增强型MOSFET ：由于这种结构在Vgs=0时，Id=0，称这种MOSFET为增强型区别于P沟道MOS，符号箭头方向是相反的，箭头内指是N沟道的MOS。

N-MOS的截面图：D：漏极（drain）S：源极（source）G：栅极（gate）在单个N-MOS封装中，常会有寄生二极管的存在，其位置如图。

集成电路中，则没有寄生二极管N-MOS的工作原理特殊参数V ds：漏极和栅极间的电压，MAX值最为有用（耐压）V gs：栅源电压作为控制电压V gs(th)：开启电压，刚刚产生导电沟道所需的栅源电压VgsI d：漏极电流，I dm指MOS能带负载最大电流gm：低频跨导，在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导极间电容：栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS；CGS和CGD约为1～3pF，CDS约在0.1～1pF之间RGS：直流输入电阻，MOS管的RGS可以很容易地超过1kΩN-MOS的特性：Vgs大于V gs(th）就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动）工作原理描述（1）V gs=0，没有导电沟道此时栅源短接，源区，衬底和漏区形成两个背靠背的PN结，无论Vds的极性怎样，其中总有一个PN结是反偏的，所以d,s之间没有形成导电沟道，MOS管处于截止状态。

（2）V gs≥ V gs(th)，出现N沟道栅源之间加正向电压→ 由栅极指向P型衬底的电场→ 将靠近栅极下方的空穴向下排斥→ 形成耗尽层再增加V gs→ 纵向电场将P区少子（电子）聚集到P区表面→ 形成源漏极间的N型导电沟道→ 如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id（3）输出特性曲线MOS的输出特性曲线是指在栅源电压Vgs> VGS(th）且恒定的情况下，漏极电流id与漏源电压Vds之间的关系，可以分为以下4段：线性区当Vds很小时，沟道就像一个阻值与Vds无关的固定电阻，此时id与Vds成线性关系过渡区随着Vds增大，漏极附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。

N沟道和P沟道MOS管工作原理MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是一种常用的半导体器件，由金属-氧化物-半导体结构组成。

其中，N沟道MOS管和P沟道MOS管是两种常用的MOS管类型。

它们的工作原理略有不同，下面将详细介绍。

一、N沟道MOS管（N-Channel MOSFET）工作原理：N沟道MOS管的基本结构由N型衬底、P型衬底上的N型沟道、P型栅极和绝缘层（通常为氧化硅SiO2）组成。

当沟道中间层没有加电压时，P型沟道区域导电能力强于N型衬底区域，因此MOS管处于截止状态。

当P型栅极施加正向电压时，沟道区域下方的内电场将使P型区域带有正电荷，形成沟道通过，MOS管进入导通状态。

这种情况下，栅极-源极之间的电压被称为V_DS，栅极-沟道之间的电压被称为V_GS。

N沟道MOS管的工作原理是基于场效应。

当栅极-沟道电压(V_GS)增大时，场效应电压将增大，导致沟道区域的电荷密度增加，电流也会随之增加。

当V_GS增大到一定值时，沟道的电阻下降到很小，电流将接近饱和状态。

因此，N沟道MOS管可以被视为可以控制电流的开关。

二、P沟道MOS管（P-Channel MOSFET）工作原理：P沟道MOS管的基本结构与N沟道MOS管类似，但其沟道区域是P型半导体，而栅极是N型半导体。

与N沟道MOS管相比，P沟道MOS管的工作原理相反。

当P沟道MOS管的栅极电压为零时，由于N型沟道和P型衬底之间的PN结的反向偏置，形成一个截止区。

当P型栅极施加负向电压时，沟道区域的电荷会被压缩，在栅极电压达到一定值时，PN结会被反向击穿，沟道将打开，P沟道MOS管进入导通状态。

与N沟道MOS管类似，P沟道MOS管也是基于场效应工作的。

当栅极-沟道电压(V_GS)减小时，沟道中的电荷密度减小，导致电流减小。

当V_GS减小到一定值时，沟道关闭，电流为零。

因此，P沟道MOS管可以被视为可以控制电流的开关。

MOS/CMOS集成电路简介及N沟道MOS管和P沟道MOS管在实际项目中，我们基本都用增强型mos管，分为N沟道和P沟道两种。

我们常用的是NMOS，因为其导通电阻小，且容易制造。

在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。

这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。

顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。

1.导通特性NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。

但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

2.MOS开关管损失不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。

选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。

现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。

MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。

通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。

缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。

这两种办法都可以减小开关损失。

3.MOS管驱动跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。

这个很容易做到，但是，我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。

对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。

N沟道和P沟道MOS管工作原理首先，我们来看N沟道MOS管的工作原理。

N沟道MOS管的基本结构包括p型基底、n+型源和漏，以及上面覆盖的一层厚氧化硅（SiO2）绝缘层。

当没有电压施加在栅极上时，N沟道MOS管是关闭状态。

在这种情况下，沟道区域中没有电子流动，因为沟道处于p型基底的截断状态。

接下来，当一个正电压施加在栅极上时，栅极和沟道之间的氧化硅绝缘层将形成一个电场。

这个电场将吸引p型基底下面的正电荷，使其靠近氧化硅绝缘层。

在较高的电场强度下，p型基底中的正电荷会被吸引到足够接近氧化硅绝缘层的位置。

这样，p型基底下方的N沟道就会形成并连接源和漏。

N沟道中的电子可以随后通过N沟道从源到漏流动。

因此，当电压施加在栅极上时，N沟道MOS管处于导通状态。

然而，当电压施加在栅极上并且达到一定上限后，N沟道MOS管会进入饱和区。

在这种情况下，N沟道中的电流将达到最大值，即漏极电流。

继续增加栅极电压将不会增加电流。

在饱和区，N沟道MOS管可以被看作是一个电流控制器件，其输出电流与栅极电压和沟道长度/宽度比例相关。

接下来我们来看P沟道MOS管的工作原理。

P沟道MOS管和N沟道MOS管的结构相似，差异在于p型基底和n+型源和漏。

在没有电压施加在栅极上时，P沟道MOS管也是关闭状态。

沟道处于n型基底的截断状态，没有电流流动。

当一个负电压施加在栅极上时，栅极和p型基底之间的氧化硅绝缘层形成一个电场。

这个电场将吸引n型基底下面的负电荷，使其靠近氧化硅绝缘层。

在较高的电场强度下，n型基底中的负电荷会被吸引到足够接近氧化硅绝缘层的位置。

这样，n型基底下方的P沟道就会形成并连接源和漏。

P沟道中的空穴可以通过P沟道从源到漏流动。

因此，当电压施加在栅极上时，P沟道MOS管处于导通状态。

同样地，当电压施加在栅极上并且达到一定上限后，P沟道MOS管会进入饱和区。

在这种情况下，P沟道中的电流将达到最大值，并且进一步增加栅极电压将不会增加电流。