一、簡介

MOS管，是MOSFET的縮寫。MOSFET金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。

其中，G是柵極，S是源極，D是漏極。

二、nmos和pmos的原理與區(qū)別

NMOS

NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思為N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體，而擁有這種結(jié)構(gòu)的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。

MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路，由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路，由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路，即CMOS電路。

PMOS

PMOS是指n型襯底、p溝道，靠空穴的流動運送電流的MOS管。

NMOS和PMOS工作原理

P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低，因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。

此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值一般偏高，要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性，與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。

PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在NMOS電路（見N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路）出現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是，因PMOS電路工藝簡單，價格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。

三、MOS管應(yīng)用分析

1. 導(dǎo)通特性

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接地時的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅(qū)動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導(dǎo)通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。

2. MOS開關(guān)管損失

不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。

MOS在導(dǎo)通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開關(guān)頻率越高，損失也越大。

導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開關(guān)時間，可以減小每次導(dǎo)通時的損失；降低開關(guān)頻率，可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。

3.MOS管驅(qū)動

跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。

在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。

第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導(dǎo)通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。

如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。

四、MOS應(yīng)用電路設(shè)計

在實際項目中，我們基本都用增強型，分為N溝道和P溝道兩種。

我們常用的是NMOS，因為其導(dǎo)通電阻小，且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負載（如馬達），這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的，需要具體看數(shù)據(jù)手冊。

了解MOS管的開通/關(guān)斷原理你就會發(fā)現(xiàn)，使用PMOS做上管、NMOS做下管比較方便。使用PMOS做下管、NMOS做上管的電路設(shè)計復(fù)雜，一般情況下意義不大，所以很少采用。

下面先了解MOS管的開通/關(guān)斷原理，請看下圖：

NMOS管的主回路電流方向為D→S，導(dǎo)通條件為VGS有一定的壓差，一般為5~10V（G電位比S電位高）；而PMOS管的主回路電流方向為S→D，導(dǎo)通條件為VGS有一定的壓差，一般為-5~-10V（S電位比G電位高），下面以導(dǎo)通壓差6V為例。

NMOS管

使用NMOS當下管，S極直接接地（為固定值），只需將G極電壓固定值6V即可導(dǎo)通；若使用NMOS當上管，D極接正電源，而S極的電壓不固定，無法確定控制NMOS導(dǎo)通的G極電壓，因為S極對地的電壓有兩種狀態(tài)，MOS管截止時為低電*，導(dǎo)通時接*高電*VCC。

當然NMOS也是可以當上管的，只是控制電路復(fù)雜，這種情況必須使用隔離電源控制，使用一個PMOS管就能解決的事情一般不會這么干，明顯增加電路難度。

PMOS管

使用PMOS當上管，S極直接接電源VCC，S極電壓固定，只需G極電壓比S極低6V即可導(dǎo)通，使用方便；同理若使用PMOS當下管，D極接地，S極的電壓不固定（0V或VCC），無法確定控制極G極的電壓，使用較麻煩，需采用隔離電壓設(shè)計。

NMOS PMOS CMOS

CMOS門電路由PMOS場效應(yīng)管和NMOS場效應(yīng)管以對稱互補的形式組成，先介紹MOS管，然后再介紹由CMOS組成的門電路。

MOS英文全稱Metal Oxide Semiconductor，中文全稱是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，屬于一種電壓控制型器件，正如其名，由金屬(M)，氧化物(O)和半導(dǎo)體(S)構(gòu)成，和三極管一樣，既可以用來放大電路，也可以當作開關(guān)使用。

MOS管可分為耗盡型和增強型，每種類型又分為P溝道和N溝道。

增強型MOS管，柵極與襯底之間不加電壓時，柵極下面沒有溝道存在，耗盡型，柵極與襯底之間不加電壓時，柵極下面已有溝道存在。

MOS管的圖形符號如下，一般用增強型MOS管用于門電路分析。

MOS管圖形符號

增強型MOS管有P溝道和N溝道兩種，其結(jié)構(gòu)原理基本類似，主要區(qū)別在于沉底和載流子不同，下面以N溝道增強型MOS管為例簡單介紹下，其結(jié)構(gòu)如下所示:

增強型NMOS管的結(jié)構(gòu)

增強型NMOS管是以P型摻雜硅片為襯底，然后制作兩個N型摻雜的區(qū)域，再制作一層電介質(zhì)絕緣層，在兩個N型摻雜的區(qū)域用金屬導(dǎo)線連出，分別稱為源極(source)和漏極(drain)，在兩極中間的絕緣層上制作金屬導(dǎo)電層，然后用導(dǎo)向連出稱為柵極(gate)，襯底一般也用導(dǎo)線連出和源極連接在一起。

增強型MOS管需要在柵極加合適的電壓才能工作，下面說明其工作原理：

增強型NMOS管工作原理

電源E1通過R1加到場效應(yīng)管D, S極，電源E2通過開關(guān)S加到G, S極。

當開關(guān)S斷開時，柵極無電壓，由于襯底是P型，多數(shù)載流子是空穴；源，漏極是N型摻雜，多數(shù)載流子是電子，熟悉PN節(jié)的讀者可以很快看出來，源極和漏極之間有兩個背靠背的PN節(jié)，即使源，漏極加上電壓，總有一個PN節(jié)處于反偏狀態(tài)，源漏極之間沒有導(dǎo)電溝道，所以電流為0；

當開關(guān)S閉合，場效應(yīng)管柵極獲得正電壓，上面會帶有正電荷，它產(chǎn)生的電場穿過電介質(zhì)，將P襯底中的電子吸引過來并聚集，從而在兩個都是N型摻雜的源漏極之間出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，由于此時漏源之間加上的是正向電壓，于是就會有電流從漏極流入，再經(jīng)過導(dǎo)電溝道從S極流出，一般把形成溝道時的柵源極電壓稱為開啟電壓，用Vt表示，也即是圖中E2電壓。

如果改變E2電壓大小，柵極下面的電場大小隨之變化，吸引過來的電子數(shù)量也會發(fā)生變化，兩個N區(qū)之間溝道寬度就會隨之變化，通過的漏源極的電流大小就會發(fā)生變化。E2電壓越高，溝道就會越寬，電流就會越大。

增強型MOS管的特點如下：

1. G, S極之間未加電壓時，D, S極之間沒有溝道，電流為0；

2. G, S極之間加上開啟電壓后，D, S極之間有溝道形成，D, S極之間有電流

為分析方便，可以認為當NMOS管，G極為高電*時導(dǎo)通，為低電*時截止；對于PMOS則相反，G極為低電*時導(dǎo)通，高電*時截止。

上面介紹了PMOS和NMOS基本概念，接下來介紹CMOS構(gòu)成的邏輯門電路。

首先是CMOS非門電路，也叫反相器，結(jié)構(gòu)圖如下：

CMOS非門電路

VT1是PMOS管，VT2是NMOS管，電源輸入端A分別與MOS管的G極連接，電路的輸出端分別與MOS管的D極相連，PMOS的S極接電源VDD，NMOS管的S極接地。

CMOS反相器的工作原理如下：

• 當A端為高電*時，VT1 PMOS管截止，VT2 NMOS管導(dǎo)通，Y端輸出為低電*，也即A=1，Y=0；

• 當A端為低電*時，VT2 NMOS管截止，VT1 PMOS管導(dǎo)通，Y端輸出為高電*，也即A=0，Y=1。

綜上所述，CMOS非門的輸出端與輸出端之間電*總是相反，實際上，不管輸入端為高電*還是低電*，VT1和VT2始終有一個處于截止狀態(tài)，電源與地之間基本無電流通過，因此CMOS非門電路的功耗很低。

然后介紹與非門，其電路結(jié)構(gòu)圖如下：VT1，VT2為PMOS管，VT3，VT4為NMOS管。

CMOS與非門

CMOS與非門工作原理如下：

• 當A，B端均為高電*時，VT1 PMOS，VT2 PMOS截止，VT3 NMOS，VT4 NMOS導(dǎo)通，Y端為低電*，即A=1，B=1時，Y=0；

• 當A，B端均為低電*時，VT1 PMOS，VT2 PMOS導(dǎo)通，VT3 NMOS，VT4 NMOS截止，Y端為高電*，即A=0，B=0時，Y=1;

• 當A端為低電*，B端為高電*時，A端低電*使VT2 PMOS導(dǎo)通，VT3 NMOS截止，B端高電*使VT1 PMOS截止，VT4 NMOS導(dǎo)通，所以Y端輸出高電*，即A=0，B=1時，Y=1;

• 同理，當A端為高電*，B端為低電*時，輸出端Y=1。

從上面分析可知，當輸入端均為高電*時，輸出端為0，只要有一個輸入端為低電*，輸出端就為1，滿足或非的邏輯。

最后是CMOS或非門，其電路結(jié)構(gòu)圖如下：其中VT1，VT2為PMOS，VT3，VT4是NMOS。

CMOS或非門

CMOS或非門電路工作原理如下：

• 當A，B端均為高電*時，VT1 PMOS，VT2 PMOS截止，VT3 NMOS，VT4 NMOS導(dǎo)通，Y端為低電*，也即A=1，B=1時，Y=0；

• 當A，B端均為低電*時，VT1 PMOS，VT2 PMOS導(dǎo)通，VT3 NMOS，VT4 NMOS截止，Y端為高電*，也即A=0，B=0時，Y=1；

• 當A端為低電*，B端為高電*時，A端低電*使VT1導(dǎo)通，VT3截止，B端高電*使VT2截止，VT4導(dǎo)通，由于VT2截止，VT4導(dǎo)通，Y端輸出低電*，也即A=0，B=1時，Y=0；

• 同理：A端為高電*，B端為低電*時，輸出端Y為0。