MOS管知識(shí)-一文徹底區(qū)分MOS NMOS PMOS CMOS（從原理的視角）-KIA MOS管

信息來源：本站　日期：2020-08-06　

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MOS管知識(shí)-一文徹底區(qū)分MOS NMOS PMOS CMOS（從原理的視角）

從原理的視角，一文徹底區(qū)分MOS NMOS PMOS CMOS，詳細(xì)請(qǐng)查看下文。mos管學(xué)名是場(chǎng)效應(yīng)管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管，屬于絕緣柵型，MOS又分N型、P型MOS管。

（一）由基礎(chǔ)說起

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料是硅晶體，硅這種材料，在化學(xué)元素周期表里是四族元素，硅從微觀上看每個(gè)原子最外層有4個(gè)電子，我們知道，外層4個(gè)電子的物質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。硅晶體里，兩個(gè)電子結(jié)合形成更為穩(wěn)定的共價(jià)鍵。

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當(dāng)然這種共價(jià)鍵并不是牢不可破的，在絕對(duì)0度以上，總會(huì)有少數(shù)的電子擺脫共價(jià)鍵的束縛在晶格里游蕩，會(huì)表現(xiàn)出很小的導(dǎo)電性，半導(dǎo)體的名字就這么來了。

如果硅晶體里摻入了三族元素，比如硼，會(huì)是什么狀況的呢？

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三族元素最外層3個(gè)電子，跟硅結(jié)合的時(shí)候，共價(jià)鍵上就會(huì)缺一個(gè)電子，我們叫它空穴。由于電子的熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)，某個(gè)共價(jià)鍵上的電子可能擺脫束縛移動(dòng)到空穴位置上來，宏觀上看好像是空穴產(chǎn)生了移動(dòng)，由于空穴表現(xiàn)正電荷，空穴的英文稱為positive holes，這種半導(dǎo)體就稱之為P型半導(dǎo)體。

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同樣，在硅晶體里摻雜五族元素后，共價(jià)鍵上就會(huì)多出一個(gè)電子，這個(gè)電子可以在半導(dǎo)體內(nèi)自由移動(dòng)，形成導(dǎo)電的電子，即negative electrons。摻雜五族元素的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。

我們從宏觀上看，N型半導(dǎo)體里面有很多可以導(dǎo)電的電子。

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P型半導(dǎo)體里面有很多不可移動(dòng)的空穴。此處特別強(qiáng)調(diào)不可移動(dòng)，我們說空穴的移動(dòng)，實(shí)際上是其它位置的電子填充了空穴的位置，看上去像是空穴在移動(dòng)。

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N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體宏觀上看都是不帶電的！正負(fù)電荷量相等。

（二）MOS

假如我們把P型半導(dǎo)體放在一個(gè)電場(chǎng)中會(huì)有什么現(xiàn)象呢？根據(jù)最基本的物理知識(shí)，同電荷排斥，異電荷相吸，電場(chǎng)中的P型半導(dǎo)體如下圖所見。左右兩側(cè)為電極板，電子會(huì)被吸引到正電極測(cè)，空穴被吸引到負(fù)電極測(cè)。這里正負(fù)只是普通的物理定義，其實(shí)在電路中，嚴(yán)格的說法應(yīng)該是高電平測(cè)、低電平測(cè)。正負(fù)只有在指定0V參考點(diǎn)的情況下才有意義。

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我們把這種效應(yīng)稱為電場(chǎng)效應(yīng)（Field Effect），依據(jù)這種現(xiàn)場(chǎng)所發(fā)明的半導(dǎo)體器件稱為場(chǎng)效應(yīng)管，即Field Effect Transistor ，簡(jiǎn)稱FET！這就是FET真實(shí)的內(nèi)涵。

為了方便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，科學(xué)家們發(fā)明了一種像三明治的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的最上層是金屬，一般是鋁化合物，中間層是氧化物，一般是氧化硅，下面是P型半導(dǎo)體，此處也稱為P型襯底。這種器件被稱為Metal Oxide Semiconductor，簡(jiǎn)稱MOS。

在金屬層和襯底之間加上電場(chǎng)，于是在氧化物的下面就聚集了電子，形成一個(gè)反轉(zhuǎn)層。本來是P型襯底，出現(xiàn)了電子層，中文書里面也叫做“溝道”，也被稱為N溝道。

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把這個(gè)材料繼續(xù)加工，在P型襯底的兩肩腐蝕出N型的電極，于是NMOS就這么產(chǎn)生了！金屬層被稱為G極、即柵極；N型摻雜濃度高的一端稱為S極、即源極，摻雜濃度稍微低點(diǎn)的一端稱為D極，即漏極。“源”是源頭的意思，它的濃度高、可以提供更多的載流子，在N型半導(dǎo)體里，溝道內(nèi)部是電子，如果能夠形成一個(gè)電流通路，那么源極也應(yīng)該提供的是電子。

在外部偏壓形成的電場(chǎng)力作用下，電子由S流向D。因?yàn)殡娏鞫x的方向跟電子流動(dòng)的方向相反，所以此時(shí)電流從D流向S。因此，D點(diǎn)的點(diǎn)位要比S點(diǎn)高。

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至此，我們就清楚了什么是MOS，MOSFET，NMOS。記住一點(diǎn)：NMOS指的是形成了N型的反轉(zhuǎn)層，那么它一定是在P型襯底上實(shí)現(xiàn)的。

同樣，對(duì)于襯底為N型的器件，我們要施加電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)空穴區(qū)，即P溝道，所以稱為PMOS，空穴區(qū)需要低電平產(chǎn)生，所以G極的電勢(shì)要比源極低。P溝道流動(dòng)的是”空穴“，所以電流方向是S極流向D極，那么S極的電勢(shì)就要高。

至此，我們應(yīng)該能分清什么是MOS、MOSFET、NMOS、PMOS了。從中我們也看出了，MOS管是一種G極電壓產(chǎn)生電場(chǎng)效應(yīng)，控制DS兩端電流的可控器件。

（三）NMOS電路抽象

在電路里面，如何區(qū)分NMOS、PMOS以及電路如何連接呢？

現(xiàn)在我們想一下，襯底該怎么接，以NMOS為例，襯底P型，如果襯底接高電位，那么就形成了兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)的電路。所以P型襯底需要接低電位，根據(jù)上面說的電流方向，N型MOS低電位為S極，所以襯底需要連S極。這就是為什么MOS管的電路圖總是看到襯底跟S極相連的原因！

下面詳細(xì)說說電路符號(hào)每一個(gè)細(xì)節(jié)所代表的意思。

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1. 沒有施加電場(chǎng)時(shí)，G極下沒有產(chǎn)生N溝道，所以電路圖中用虛線代表這一層意思。（以后的文章中會(huì)介紹不同種類的MOSFET，G極為0V，沒有反轉(zhuǎn)層生成的器件稱為增強(qiáng)型MOS管，還有一種是耗盡型MOS，對(duì)于耗盡型MOS，中間豎線是相連的。

2. 箭頭的意思代表襯底的PN結(jié)效應(yīng)，P型襯底（NMOS）在G極產(chǎn)生電場(chǎng)下，靠近G極為電子區(qū)、遠(yuǎn)離端為空穴區(qū)，所以電場(chǎng)下生產(chǎn)的PN效應(yīng)指向G極！

3. 圖中的二極管是襯底與D之間體二極管，上文中也提到了，如果襯底接高電平，此時(shí)二極管直接導(dǎo)通，失去了MOS管控制的作用。大家此時(shí)應(yīng)該立刻想到，如果NMOS的S極接了高電壓，D接了低電壓，MOS管直接導(dǎo)通！

（四）PMOS電路抽象

對(duì)于PMOS，再啰嗦一遍，PMOS的”P“即P溝道，一定是在N型襯底上產(chǎn)生的，襯底PN效應(yīng)箭頭背離G極。N型襯底的兩肩上腐蝕出P型電極，流過溝道的是空穴，方向從源到漏，源為高摻雜，空穴運(yùn)動(dòng)的方向同時(shí)也是電流的方向，也就是說PMOS的電流從S到D，S為高電平。

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PMOS的襯底為N型，如果襯底為低電平，同樣是等效于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián)，所以襯底要接高電平，即襯底也是連S極，得出一個(gè)結(jié)論：無論NMOS、PMOS襯底都是連S極！

體二極管效應(yīng)仍然在D極和襯底間產(chǎn)生，D為體二極管的P區(qū)。同樣，對(duì)于PMOS，D極比S極點(diǎn)位高的話，直接通過二極管效應(yīng)產(chǎn)生通路。

NMOS和PMOS分別簡(jiǎn)化如下：

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（五）什么是CMOS

CMOS即 complementary MOSFET，互補(bǔ)型MOSFET，在大規(guī)模集成電路里面，NMOS和PMOS被集成在一起，通過同一個(gè)信號(hào)來控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的邏輯NOT功能。這種結(jié)構(gòu)是組成集成電路的基礎(chǔ)單元。

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