MOS管（场效应管）工作原理及其反向导通应用：深入剖析

MOS管的工作原理和反向导通应用

一、电子和空穴

半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。

自由电子就是指不被约束在某一个原子内部的电子。这种电子在受到外电场或外磁场的作用时，能够在物质中或真空中运动。

空穴又称电洞（Electron hole），在固体物理学中指共价键上流失一个电子，最后在共价键上留下空位的现象。即共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴。

N型半导体（N为Negative的字头，由于电子带负电荷而得此名）：掺入少量杂质磷元素（或锑元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体就成为了含电子浓度较高的半导体，其导电性主要是因为自由电子导电。

P型半导体（P为Positive的字头，由于空穴带正电而得此名）：掺入少量杂质硼元素（或铟元素）的硅晶体（或锗晶体）中，由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，硼原子外层的三个外层电子与周围的半导体原子形成共价键的时候，会产生一个“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。

二、MOS管的符号

上图为N沟道MOS管与P沟道MOS管，两者在符号上的差异在于中间的箭头与体二极管的方向不同。中间的箭头方向含义为导通时半导体内自由电子的移动方向，在后文会详细说明。由于耗尽型MOS管如今应用场景已不多，在此不做介绍。

三、MOS管的结构

以增强型NMOS为例，下图为增强型NMOS的结构图。
对于增强型NMOS而言，源极和漏极连接部分为N型半导体，带有多数载流子自由电子和少数载流子空穴。栅极连接一块金属，金属带有很多自由电子，下方是一块绝缘体（二氧化硅），故MOS称为绝缘栅型场效应管。衬底连接一块P型半导体（通道区也属于P型衬底的部分），带有多数载流子空穴和少数载流子自由电子。

增强型PMOS的结构图与其十分类似，但未找到类似示意图，下文以文字形式解释。

四、MOS管的工作原理

对于增强型NMOS而言，源极和漏极连接部分为N型半导体，带有多数载流子自由电子和少数载流子空穴，自由电子经扩散运动离开N型半导体，进入P型半导体，此时半导体带正电。栅极连接一块金属，金属带有很多自由电子，下方是一块绝缘体（二氧化硅），故MOS称为绝缘栅型场效应管。衬底连接一块P型半导体，带有多数载流子空穴和少数载流子自由电子。

当漏源电压（VDS）连接在漏极和源极之间时，正电压施加到漏极，负电压施加到源极。在这里，漏极的 PN 结是反向偏置的，而源极的 PN 结是正向偏置的。在这个阶段，漏极和源极之间不会有任何电流流动。

如果我们将正电压 (VGG ) 施加到栅极端子，由于静电引力，P衬底中的少数电荷载流子（电子）将开始积聚在栅极触点上，从而在两个 n+ 区域之间形成导电桥。NMOS符号中的箭头指向即此处的自由电子流向。由于N型半导体中多数载流子为自由电子，故由自由电子形成的导电沟道称为N沟道。

在栅极接触处积累的自由电子的数量取决于施加的正电压的强度。施加的电压越高，由于电子积累而形成的 n 沟道宽度越大，这最终会增加电导率，并且漏极电流 (ID ) 将开始在源极和漏极之间流动。

当没有电压施加到栅极端子时，除了由于少数电荷载流子而产生的少量电流外，不会有任何电流流动。mos管开始导通的最小电压称为阈值电压。

PMOS的原理和NMOS十分相近。不同之处在于半导体放置和导电载流子。其源极和漏极连接部分为P型半导体，衬底连接一块N型半导体。当我们将负电压加到栅极和源极（一般源极和衬底相连，相当于加到栅极和衬底）时，N型半导体中的少数载流子（空穴）将开始积聚在栅极触点上，从而在两个P-区域之间形成导电桥。PMOS符号中的箭头指向即此处的自由电子流向。由于P型半导体中多数载流子为空穴，故由空穴形成的导电沟道称为N沟道。

五、关于体二极管

由上文可知，NMOS有个P型的衬底，D极是P型衬底上做的N型反型区，这样就简单的形成了一个PN结，如果在D极和衬底之间加一个电压，那么电流会顺着这个PN结流通。

一般情况下，单体的MOS管B极是不独自引出来的，通过把它接到S极上，也就是和S极短路，那么自然而然这个PN结就相当于是S极到D极了。

同理Pmos也是一样，Pmos是在N型衬底上反型出两块P型半导体的区域地盘。衬底与漏极之间同样有这个PN结。当把衬底连接在S极上时，就出现了从DS之间的二极管了。

六、关于空穴

值得一提的是，空穴是不动的，在PN结中动的都是是电子，看起来好象是空穴在移动，其实是自由电子扩散的时候不断的脱离原来的空穴去填充新的空穴，所以看起来就好象空穴在移动了。在应用场景中我们一般将空穴导电抽象为空穴的移动。

此外自由电子和空穴在半导体中的迁移率不同，自由电子的运动，自始至终是不受共价键影响的，它处于共价键之外，电场能量可以几乎“无损”地作用于电子定向运动。然而空穴就不一样了，因为空穴处于共价键之上，空穴运动是邻近电子不断摆脱共价键束缚的过程，也就是不断克服共价键束缚力做功的过程，这也是为什么大多数相同封装依靠自由电子导电的NMOS的额定电流大于依靠空穴导电的PMOS的原因。

七、关于MOS反向导通

在大多数MOS的数据手册中，并没有给出反向导通相关参数，但反向导通的应用却是十分广泛的，在此给出我对反向导通的理解。

从上文我们可以得出结论，只要控制栅源电压使得导电沟道开启，那么漏极和源极之间即可导通。而漏极和源极在结构上看是十分对称的，因此在栅源电压控制得好，以及漏源电压没有使得体二极管导通的情况下，正向与反向导通皆可以参考数据手册中正向导通的电气参数。

那么是否存在反向导通时导电沟道和体二极管同时导通的情况呢？体二极管导通压降和导通内阻十分大，一般在栅源电压较大，使得MOS的导电沟道完全导通时，体二极管是不容易导通的，因为在反向导通管压降达到开启体二极管的压降时，由于导电沟道的导通内阻很小，此时会产生相当大的电流，会超过MOS管的额定电流，导致MOS管烧坏。若栅源电压较是，则可能出现导电沟道和体二极管同时导通。

总结规律则为，在栅源电压使得MOS管不导通时，反向导通回路中，MOS等效为二极管。在栅源电压逐渐增加时，MOS反向导通压降逐渐减小，导通内阻逐渐减小。在栅源电压使得MOS完全导通时，反向导通回路中的MOS可大致等效为导线。

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