电路不识MOS管,便称大师也枉然!

泛着幽灰太空颜色的硅注定要为历史书写人类应用技术改变世界的传奇。

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因电子管的笨重、耗能、低效和电子产业发展的需要,二战后对半导体材料硅、锗的研究达到了一个小高潮。早在1925年,利用电场改变半导体表面导电性的场效应就被发现,利用场效应的半导体放大器件也被发明,但因材料提纯的限制,并没有实用化,但已经比最早的点接触型三极管早出现了20多年。1947年底,美国贝尔实验室的肖克莱博士领导的三人小组制成了最早的晶体三极管,当时仅仅是在锗晶体表面上固定了两个金属丝。1950年,肖克莱才提出PN结构成的更为实用的三极管,1952年,实用的场效应管也被制造出来。1960年,金属-氧化物场效应管被发明,随着工艺的提高,很多场合的作为放大及开关器件的三极管已经被性能更好的金属-氧化物场效应管(MOS管)所代替了。

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场效应管的基本结构犹如扳倒的双极晶体三极管,引出漏极(D)、源极(S),栅极(G),分别对应晶体三极管的集电极、发射极、基极,不过它利用的是单P型或单N型半导体作为主导电通道(沟道),沟道侧面设置对向的PN结,PN结的耗尽区会随着电场强度的不同而加宽或变窄影响沟道的导电截面积,改变沟道的电阻值从而改变电流。其他性质如输入阻抗高、输入电流小、噪声系数小,关启效率高大家都可以查到,这里就不多讲了。

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场效应管分为结型(JFET)和绝缘栅(MOSFET)型,再细分又有P沟道、N沟道,耗尽型、增强型,种类繁多,不好理解,但有几点弄清楚就可以了:1,结型比较简单,电极从沟道两端和PN结一端引出;绝缘栅型在栅极和沟道间加了一层二氧化硅绝缘层。2,所谓耗尽型,是利用PN结反向电场形成的耗尽增强区夹断漏源电流,耗尽区是电子和空穴复合形成的绝缘区域,这个区域会随栅极电压的改变而扩大或缩小,当沟道两侧耗尽区交接时,电流通道就会被完全堵塞。耗尽型场效应管的栅极电压为0时,沟道是导通的,栅极电压越负,漏源极电流越小。结型(JFET)只有耗尽型。3,所谓增强型,是通过技术手段改造耗尽型后,当栅极电压为0时,沟道截止,栅极电压越正,漏源极电流越大。绝缘栅型场效应管既有耗尽型,也有增强型。因增强型绝缘栅场效应管的性能更加优越,电路特性和使用习惯与双极晶体三极管近似,所以应用逐渐广泛,耗尽型因栅极需要负电压,增加电路设计的复杂程度,实际应用逐渐减少。

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NMOS结构示意(VGS=0时,DS无电流)

增强型绝缘栅场效应管(MOS)分为N沟道型(NMOS)和P沟道型(PMOS)。NMOS多应用于源极接地(低端驱动),栅极电压(VGS)大于开启电压(Vth)时,管子导通,一般VGS达到4伏或10伏就可以了。PMOS多用于源极接电源VCC(高端驱动),VGS小于一定值时开启,因为工艺、性能及成本较NMOS差,所以应用较少。