一、簡(jiǎn)介

MOS管，是MOSFET的縮寫(xiě)。MOSFET金屬-氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管，簡(jiǎn)稱(chēng)金氧半場(chǎng)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的原理與區別

NMOS

NMOS英文全稱(chēng)為N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思為N型金屬-氧化物-半導體，而擁有這種結構的晶體管我們稱(chēng)之為NMOS晶體管。

MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構成的集成電路稱(chēng)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(dòng)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(guò)程長(cháng)，加之器件跨導小，所以工作速度更低，在NMOS電路（見(jiàn)N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路）出現之后，多數已為NMOS電路所取代。只是，因PMOS電路工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，有些中規模和小規模數字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。

三、MOS管應用分析

1. 導通特性

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅動(dòng)），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(huì )導通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動(dòng)，但由于導通電阻大，價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因，在高端驅動(dòng)中，通常還是使用NMOS。

2. MOS開(kāi)關(guān)管損失

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

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

導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)次數。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。

3.MOS管驅動(dòng)

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

在MOS管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動(dòng)，實(shí)際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個(gè)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(huì )比較大。選擇/設計MOS管驅動(dòng)時(shí)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，普遍用于高端驅動(dòng)的NMOS，導通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動(dòng)的MOS管導通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。

如果在同一個(gè)系統里，要得到比VCC大的電壓，就要專(zhuān)門(mén)的升壓電路了。很多馬達驅動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅動(dòng)MOS管。

四、MOS應用電路設計

在實(shí)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(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅動(dòng)感性負載（如馬達），這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒(méi)有的，需要具體看數據手冊。

了解MOS管的開(kāi)通/關(guān)斷原理你就會(huì )發(fā)現，使用PMOS做上管、NMOS做下管比較方便。使用PMOS做下管、NMOS做上管的電路設計復雜，一般情況下意義不大，所以很少采用。

下面先了解MOS管的開(kāi)通/關(guān)斷原理，請看下圖：

NMOS管的主回路電流方向為D→S，導通條件為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即可導通；若使用NMOS當上管，D極接正電源，而S極的電壓不固定，無(wú)法確定控制NMOS導通的G極電壓，因為S極對地的電壓有兩種狀態(tài)，MOS管截止時(shí)為低電*，導通時(shí)接*高電*VCC。

當然NMOS也是可以當上管的，只是控制電路復雜，這種情況必須使用隔離電源控制，使用一個(gè)PMOS管就能解決的事情一般不會(huì )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(wú)法確定控制極G極的電壓，使用較麻煩，需采用隔離電壓設計。

NMOS PMOS CMOS

CMOS門(mén)電路由PMOS場(chǎng)效應管和NMOS場(chǎng)效應管以對稱(chēng)互補的形式組成，先介紹MOS管，然后再介紹由CMOS組成的門(mén)電路。

MOS英文全稱(chēng)Metal Oxide Semiconductor，中文全稱(chēng)是金屬-氧化物-半導體場(chǎng)效應晶體管，屬于一種電壓控制型器件，正如其名，由金屬(M)，氧化物(O)和半導體(S)構成，和三極管一樣，既可以用來(lái)放大電路，也可以當作開(kāi)關(guān)使用。

MOS管可分為耗盡型和增強型，每種類(lèi)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(shí)，柵極下面沒(méi)有溝道存在，耗盡型，柵極與襯底之間不加電壓時(shí)，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(mén)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，其結構原理基本類(lèi)似，主要區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(jiǎn)單介紹下，其結構如下所示:

增強型NMOS管的結構

增強型NMOS管是以P型摻雜硅片為襯底，然后制作兩個(gè)N型摻雜的區域，再制作一層電介質(zhì)絕緣層，在兩個(gè)N型摻雜的區域用金屬導線(xiàn)連出，分別稱(chēng)為源極(source)和漏極(drain)，在兩極中間的絕緣層上制作金屬導電層，然后用導向連出稱(chēng)為柵極(gate)，襯底一般也用導線(xiàn)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(shuō)明其工作原理：

增強型NMOS管工作原理

電源E1通過(guò)R1加到場(chǎng)效應管D, S極，電源E2通過(guò)開(kāi)關(guān)S加到G, S極。

當開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，柵極無(wú)電壓，由于襯底是P型，多數載流子是空穴；源，漏極是N型摻雜，多數載流子是電子，熟悉PN節的讀者可以很快看出來(lái)，源極和漏極之間有兩個(gè)背靠背的PN節，即使源，漏極加上電壓，總有一個(gè)PN節處于反偏狀態(tài)，源漏極之間沒(méi)有導電溝道，所以電流為0；

當開(kāi)關(guān)S閉合，場(chǎng)效應管柵極獲得正電壓，上面會(huì )帶有正電荷，它產(chǎn)生的電場(chǎng)穿過(guò)電介質(zhì)，將P襯底中的電子吸引過(guò)來(lái)并聚集，從而在兩個(gè)都是N型摻雜的源漏極之間出現導電溝道，由于此時(shí)漏源之間加上的是正向電壓，于是就會(huì )有電流從漏極流入，再經(jīng)過(guò)導電溝道從S極流出，一般把形成溝道時(shí)的柵源極電壓稱(chēng)為開(kāi)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(chǎng)大小隨之變化，吸引過(guò)來(lái)的電子數量也會(huì )發(fā)生變化，兩個(gè)N區之間溝道寬度就會(huì )隨之變化，通過(guò)的漏源極的電流大小就會(huì )發(fā)生變化。E2電壓越高，溝道就會(huì )越寬，電流就會(huì )越大。

增強型MOS管的特點(diǎn)如下：

1. G, S極之間未加電壓時(shí)，D, S極之間沒(méi)有溝道，電流為0；

2. G, S極之間加上開(kāi)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(shí)導通，為低電*時(shí)截止；對于PMOS則相反，G極為低電*時(shí)導通，高電*時(shí)截止。

上面介紹了PMOS和NMOS基本概念，接下來(lái)介紹CMOS構成的邏輯門(mén)電路。

首先是CMOS非門(mén)電路，也叫反相器，結構圖如下：

CMOS非門(mén)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(shí)，VT1 PMOS管截止，VT2 NMOS管導通，Y端輸出為低電*，也即A=1，Y=0；

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

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

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

CMOS與非門(mén)

CMOS與非門(mén)工作原理如下：

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

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

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

• 同理，當A端為高電*，B端為低電*時(shí)，輸出端Y=1。

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

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

CMOS或非門(mén)

CMOS或非門(mén)電路工作原理如下：

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

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

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

• 同理：A端為高電*，B端為低電*時(shí)，輸出端Y為0。