基本MOS晶体管

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MOS代表金属氧化物半导体。金属氧化物半导体用于制造晶体管，称为MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。MOS晶体管广泛用于各种现代电子和电力电子设备，如逆变器、微处理器、存储器IC、数字逻辑电路等等。

什么是MOS晶体管？

MOS（金属氧化物半导体）晶体管是一种场效应晶体管（FET），可以在耗尽模式和增强模式下工作。MOS晶体管通常由三个端子组成，即栅极（G）、源极（S）和漏极（D）。MOS晶体管的主要部分包括：半导体沟道、氧化物绝缘层、金属栅极和端子。

关于MOS晶体管最重要的一个方面是它是电压控制型器件，这意味着通过半导体沟道的操作或电流流动是通过改变施加到栅极端子的电压来控制的。

在MOS晶体管中，栅极端子由金属制成，并通过由二氧化硅制成的绝缘层与半导体沟道隔开。这种结构允许栅极电压在半导体沟道中建立电场并控制其电导率。

MOS晶体管的构造

MOS晶体管由轻掺杂的半导体衬底、两个重掺杂区域、氧化层和金属栅极端子组成。

MOS晶体管的基本结构如下图所示。（此处应插入图片）

要构造一个MOS晶体管，需要一个轻掺杂的半导体衬底，在其内部扩散两个重掺杂的半导体区域，它们充当MOS晶体管的源极和漏极。在轻掺杂的半导体衬底上沉积一层由二氧化硅制成的氧化层，金属栅极端子连接到该氧化层上。这层氧化物层充当金属栅极端子和轻掺杂半导体衬底之间的绝缘层。

根据所用半导体衬底的类型，MOS晶体管被称为PMOS和NMOS晶体管。

MOS晶体管的类型

根据半导体沟道的类型，MOS晶体管主要有两种类型：

• NMOS晶体管（N沟道金属氧化物半导体晶体管）

• PMOS晶体管（P沟道金属氧化物半导体晶体管）

NMOS晶体管

对于NMOS晶体管（N沟道金属氧化物半导体晶体管），在轻掺杂的P型半导体衬底中扩散一个重掺杂的N型区域。在P型衬底上沉积一层绝缘氧化层，金属栅极端子连接到该氧化层上。

NMOS晶体管的基本结构如下图所示。（此处应插入图片）

当向栅极端子施加电压时，它会在源极和漏极之间形成一个N沟道。在NMOS晶体管中，重掺杂的N型区域充当源极和漏极。

PMOS晶体管

在PMOS晶体管中，在轻掺杂的N型半导体衬底中扩散两个重掺杂的P型衬底，它们充当源极和漏极。在N型衬底表面沉积一层薄的二氧化硅层。下图显示了PMOS晶体管的基本结构。（此处应插入图片）

当向栅极端子施加电压时，在源极和漏极之间的N型衬底中会感应出一个P型沟道，电流通过该沟道流动。通过改变栅极电压来控制流经P沟道的电流。

MOS晶体管的工作区域

MOS晶体管在以下三个区域工作：

• 截止区 - 在截止区工作时，MOS晶体管保持关闭状态，因此从源极到漏极没有电流流动。在截止区，MOS晶体管充当开路开关。

• 饱和区 - 在饱和区，MOS晶体管允许电流在源极和漏极之间流动。因此，在饱和区工作的MOS晶体管充当闭路开关。

• 线性/欧姆区 - 在线性区，MOS晶体管在源极和漏极之间的电流流动中提供恒定电阻。该电阻由栅极电压控制。在线性区工作的MOS晶体管用于放大应用。

MOS晶体管的工作原理

MOS晶体管可以作为固态开关或放大器工作。MOS晶体管的工作完全取决于其类型和偏置，即MOS晶体管可以以两种模式工作，即耗尽模式和增强模式。

如上所述，MOS晶体管在沟道和栅极端子之间有一个绝缘氧化层。这个氧化物绝缘层增加了MOS晶体管的输入阻抗。因此，它限制了栅极电流的流动。

MOS晶体管的耗尽模式工作

当MOS晶体管在耗尽模式下工作时，在源极和漏极之间形成一个沟道。施加在源极和漏极之间的电压导致漏极电流流过源极和漏极之间的沟道。为了减小或停止漏极电流的流动，向栅极端子施加反向偏置电压，这会耗尽源极和漏极之间的沟道。

MOS晶体管的增强模式工作

当MOS晶体管在增强模式下工作时，向栅极端子施加正向电压，该电压会吸引来自半导体衬底的少数载流子，并将这些少数载流子积累在栅极端子正下方。这增加了或增强了沟道的宽度。沟道的宽度取决于施加到栅极端子的电压量。在源极和漏极之间施加电压会导致漏极电流流动。

MOS晶体管的优点

MOS（金属氧化物半导体）晶体管的主要优点如下：

• 由于存在绝缘氧化层，MOS晶体管具有非常高的输入阻抗。因此，只需要非常小的电流来控制晶体管的工作。高输入阻抗使MOS晶体管更适合于低功耗应用，如数字逻辑电路。

• MOS晶体管提供非常高的开关速度，即它们可以更快地打开和关闭。因此，它们适用于数字电子电路，在数字电子电路中，高开关速度至关重要。

• MOS晶体管在工作时消耗的能量可忽略不计。这是因为它具有非常低的漏电流和高输入阻抗。因此，MOS晶体管也适用于电池供电设备。

• MOS晶体管可以制造成紧凑的尺寸。因此，它们适用于尺寸受限的集成电路。

• 由于单极性特性，MOS晶体管具有无噪声工作特性。

• 由于电压控制操作，MOS晶体管的功耗非常低。

• 在低工作电压下，MOS晶体管效率很高。

• MOS晶体管也可以在高频下工作。

• MOS晶体管可以在更宽的电压范围内工作。

MOS晶体管的缺点

MOS（金属氧化物半导体）晶体管的主要缺点如下：

• 与双极结型晶体管（BJT）相比，MOS晶体管相对昂贵。

• MOS晶体管的工作电压能力有限，超过一定的电压限制可能会击穿。

• 栅极端子和沟道之间存在绝缘氧化层，由于电容作用可能导致高静电荷积聚而损坏MOS晶体管。

• MOS晶体管对温度变化敏感，这会影响其性能。

MOS晶体管的应用

MOS晶体管广泛应用于许多领域。MOS（金属氧化物半导体）晶体管的一些常见应用如下：

• MOS晶体管广泛用于电子电路和设备中，例如微处理器、微控制器等，用于开关目的。

• MOS晶体管也用于电子信号放大，例如在数据传输和通信等电子系统中。

• MOS晶体管广泛应用于电力电子应用，例如逆变器。

• MOS晶体管由于其高速运行特性，也用于数字电路和系统。

• MOS晶体管还用于实现高频放大电路。

• MOS晶体管用于电机驱动器。

• MOS晶体管也用于开关电源(SMPS)单元。

结论

MOS晶体管是各种不同电子系统和设备中最广泛使用的晶体管之一。MOS晶体管是高效的场效应晶体管(FET)。MOS晶体管是用于电子开关和放大应用的单极性晶体管。关于MOS晶体管最重要的一点是它们是一种电压控制型器件。