彻底弄清MOS管_(NMOS为例,mos是什么意思啊

一文彻底弄清MOS管 (NMOS为例)

来自专栏芯片基础课

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说来惭愧,大二学了一遍模电数电,考研专业课又学了一遍模电数电,但拿到如下这张mos管结构图,让我立马说出:【这是什么型mos管,标准符号衬底的箭头指向哪里,简化符号栅极有没有小圆圈,衬底该接高接低,栅极高电平导通还是低电平导通,导通电流方向是什么】的答案,时不时还真有点卡壳。这真的不能怪我们,是真的太绕了,比如PMOS管栅极居然是低电平有效,简化图上输入带圈,这真的太反人性了。

彻底弄清MOS管_(NMOS为例,mos是什么意思啊

今天就用一篇文章把这些关系彻底理顺,开始吧!

首先,你应该已经懂得:

  1. 硅中参杂电子多的话,会在那里写个N,参杂空穴多的话,会在那里写个P。

2. 电流的方向指的是正电荷(空穴)流动的方向,是电子流动方向的反方向。(初中物理)

3. 电源的正电压端会吸引电子聚集过来,负电压端会吸引空穴聚集过来。(初中物理:异性相吸)

4. mos管是个开关,栅极(G)是控制端,它控制着源极(S)和漏极(D)之间是否能导通,即是否可以通过电流。

5. 源极和漏极导通电流的意思是,给他们两加一个电压源,可以形成电流,从漏流到源也行,从源流到漏也行,这个电流是空穴移动产生的也行,是电子移动产生的也行。

6. 二极管正向(从P到N接正电压)导通,反向(从N到P接正电压)不导通。

好,可以开始了。

拿到这副mos管的结构图,首先看到s极和d极连着的是N参杂区域,代表这两个区域电子多,衬底是P参杂区域,代表空穴多。

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此时,想象在S极和D极两端加一个电压源(方向无所谓),可惜中间衬底部分都是P型啊,【由已知第6条】电子想移动形成电流可是从N到P是二极管反向走不通啊。那我们的目标就来了,在这两个N参杂区域之间架起一条可让电子通过的“桥梁”。

这条"桥梁"的架设很巧妙:栅极加一个比衬底电压更高的电压,那么栅极相当于电源正极,【由已知第3条】栅极吸引P衬底中的电子(P代表空穴多,但依然有电子啊)向着栅极方向聚集,形成了下图红色区域中电子聚集的情况。

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“桥”架起来了!红色区域也成为电子多的区域了,我们完全可以在这个时刻在红色区域上标一个N。再想象在S极和D极两端加一个电压源(比如电池,方向无所谓),电子有路可走了吧。假设D极加正电压,S极接地,从电源外部看,【由已知第3条】电子从S极往D极移动,【由已知第2条】电流方向是从D极指向S极。

这个“桥”的学名叫做“沟道”,沟道是由衬底中电子被吸引来形成的就叫N沟道,沟道是由衬底中空穴被吸引过来形成的就叫P沟道,个人感觉这名字还是挺贴切的。好,到我们敲黑板知识点:PMOS的全称叫P沟道MOS管,容易想出沟道是什么类型取决于S和D端掺杂的是什么类型,立即推:S和D端区域写了N,管子就是NMOS;S和D端区域写了P,管子就是PMOS。

好,继续敲黑板知识点:MOS管的标准符号中,衬底的箭头方向指的是衬底中“电子”的移动方向,上述的NMOS管中衬底里的电子被栅极高电压吸引跑去形成人肉沟道,那么下图中衬底箭头方向是朝着栅极的。

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好,继续敲黑板!!!在简化符号中,衬底就不画了,因为栅极高电平MOS导通,意味着衬底中电子方向一定是朝着栅极的。那么只要规定了栅极高电平有效还是低电平有效,衬底那条线就没有必要画了,是确定了的。这里和数电里电平有效的标注方法是一样的,输入pin带一个圈就表示低电平有效,那么下图就出来了,NMOS管是栅极高电平有效。

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三次敲黑板后,我们应该已经解答了开始时最重要的三个问题:【这是什么型mos管,标准符号衬底的箭头指向哪里,简化符号栅极有没有小圆圈】。为了避免大家每次都把上述形成人肉沟道的过程从头想一遍,咱们还是搞个恶心的口诀帮助下记忆:N无圈(谐音花无缺)朝自己开了一枪(衬底箭头方向朝栅极自己)。好恶心~~~~

我们继续研究刚才的过程,刚才说了一句话:“栅极加一个比衬底电压更高的电压”。【由已知第3条】这样栅极才能吸引衬底中的电子跑过去形成人肉沟道嘛。那么衬底接VDD还是接GND?当然是接GND啦,没有问题吧。

实际使用中,无论是NMOS还是PMOS,通常把S极和衬底B接在一起用,叫做共源接法。所以经常看到如下图的符号。你要问为什么衬底要和源极接在一起,我暂时还不知道,但从MOS管结构图可知,源极和漏极本来就是对称的,可互换的,图上不标谁是D谁是S,你就不知道谁是D谁是S。所以衬底想和谁接在一起其实是一回事。

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那么对于NMOS管,刚分析到衬底得接GND,为了让栅极高电平时能吸引电子过去当沟道。那么NMOS的使用通常如下图:Vgs为高电平时,id电流能够形成,方向从D流向S到地;Vgs为低电平时,id电流形成不了,D、S之间断开。

彻底弄清MOS管_(NMOS为例,mos是什么意思啊

到此结束,开头提出的所有问题都得到了解答。PMOS的情况不加赘述了,按照此文可以完全自己做一遍分析。千言万语汇成一句话:花无缺朝自己开了一枪。

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