1947年BJT发明后,人们终于拥有了“随心所欲”的控制半导体开关。但此时的BJT应用有较大局限性:
1,控制它需要较大的电流(电流驱动)。
2,由于少子电荷存储的问题(反向恢复时间长)限制了其工作频率。
所以,在不久之后就又有人发明了FET,其工作频率要比BJT高的多,而且几乎不需要电流驱动(电压驱动)。
1960年,有人提出使用金属-氧化物来提升双极性晶体管的特性,从此诞生了MOS管。
MOS管的全称是MOSFET,中文全称是:金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)。
辣么长的一个名字,我看了一哈脑壳都晕,又该怎么来理解它呢?
首先,“金属-氧化物-半导体”(简称:MOS)展现的是MOS管组成以及结构:
1. G极(栅极):由金属-氧化物组成(目前栅极导电部分大多采用多晶硅,而非金属),与BJT的B极(基极)不同,MOS管的G极与半导体之间是绝缘的。
2. D极(漏极)和S极(源极):由半导体组成,同BJT类似(具体结构相差很大)。
所以MOS管主要有:金属(多晶硅),氧化物(绝缘层)和半导体所构成。
其次,“场效应晶体管”(FET)体现了MOS管的工作方式:
1. 场效应:是利用控制输入回路的电场效应(电压)来控制输出回路电流,它利用加在G极(栅极)上电压产生电场,使得沟道上靠近G极形成多数载流子的通道;所以MOS管只有多数载流子参与导电,是单极型晶体管。
2. 晶体管:指以半导体材料为基础的单一元件,它遵循PN结理论与工作原理。
因此,我们从MOSFET的名字中,了解到了它最重要的信息:绝缘栅-场效应-晶体管-开关。
接下来,我们先来看它的结构。
MOS管结构
MOS场效应管分为:增强型和耗尽型;同时由于沟道的不同可分为:N沟道和P沟道。我们接下来根据MOS管的不同结构,来看它们之间的差别。
MOS管从结构上由4部分组成:
1. 电极D:Drain,漏极。
2. 电极G:Gate,栅极。
3. 电极S:Source,源极。
4. 衬底B:衬底B同S极相连。
这里关于MOS管Symble,有几个疑问需要解答一下:
1. MOS管中的寄生二极管是怎么来的,N沟道和P沟道MOS管的寄生二极管方向为什么不同?
由于衬底B同S极连接在一起,如下图N沟道MOS管为例,S和B之间等电位,而B和D之间是一个PN结(二极管),所以从S到D有一个正向寄生二极管。同理P沟道MOS管的寄生二极管方向为D到S的寄生二极管。
2. Symble中的G、D、S连接关系?
Symble中中间短横线表示衬底B,表示S与B的连接关系,不管是NMOS或PMOS,S极都和衬底连在一起,在Symble中可以用来判断S极。
3. Symble箭头表示什么意思?
箭头表示MOS管中衬底耗尽层(PN结)的指向,如果是NMOS管衬底的耗尽层(PN结),那么PN结的方向是衬底B指向反型层;同理如果是PMOS,那么PN结方向是反型层指向衬底B,用来判断NMOS还是PMOS;同时箭头与寄生二极管的方向相同。