MOS管知識-一文徹底區分MOS NMOS PMOS CMOS（從原理的視角）

從原理的視角，一文徹底區分MOS NMOS PMOS CMOS，詳細請查看下文。mos管學(xué)名是場(chǎng)效應管，是金屬-氧化物-半導體型場(chǎng)效應管，屬于絕緣柵型，MOS又分N型、P型MOS管。

（一）由基礎說(shuō)起

半導體的基礎材料是硅晶體，硅這種材料，在化學(xué)元素周期表里是四族元素，硅從微觀(guān)上看每個(gè)原子最外層有4個(gè)電子，我們知道，外層4個(gè)電子的物質(zhì)處于穩定狀態(tài)。硅晶體里，兩個(gè)電子結合形成更為穩定的共價(jià)鍵。

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當然這種共價(jià)鍵并不是牢不可破的，在絕對0度以上，總會(huì )有少數的電子擺脫共價(jià)鍵的束縛在晶格里游蕩，會(huì )表現出很小的導電性，半導體的名字就這么來(lái)了。

如果硅晶體里摻入了三族元素，比如硼，會(huì )是什么狀況的呢？

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三族元素最外層3個(gè)電子，跟硅結合的時(shí)候，共價(jià)鍵上就會(huì )缺一個(gè)電子，我們叫它空穴。由于電子的熱力學(xué)運動(dòng)，某個(gè)共價(jià)鍵上的電子可能擺脫束縛移動(dòng)到空穴位置上來(lái)，宏觀(guān)上看好像是空穴產(chǎn)生了移動(dòng)，由于空穴表現正電荷，空穴的英文稱(chēng)為positive holes，這種半導體就稱(chēng)之為P型半導體。

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同樣，在硅晶體里摻雜五族元素后，共價(jià)鍵上就會(huì )多出一個(gè)電子，這個(gè)電子可以在半導體內自由移動(dòng)，形成導電的電子，即negative electrons。摻雜五族元素的半導體稱(chēng)為N型半導體。

我們從宏觀(guān)上看，N型半導體里面有很多可以導電的電子。

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P型半導體里面有很多不可移動(dòng)的空穴。此處特別強調不可移動(dòng)，我們說(shuō)空穴的移動(dòng)，實(shí)際上是其它位置的電子填充了空穴的位置，看上去像是空穴在移動(dòng)。

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N型半導體和P型半導體宏觀(guān)上看都是不帶電的！正負電荷量相等。

（二）MOS

假如我們把P型半導體放在一個(gè)電場(chǎng)中會(huì )有什么現象呢？根據最基本的物理知識，同電荷排斥，異電荷相吸，電場(chǎng)中的P型半導體如下圖所見(jiàn)。左右兩側為電極板，電子會(huì )被吸引到正電極測，空穴被吸引到負電極測。這里正負只是普通的物理定義，其實(shí)在電路中，嚴格的說(shuō)法應該是高電平測、低電平測。正負只有在指定0V參考點(diǎn)的情況下才有意義。

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我們把這種效應稱(chēng)為電場(chǎng)效應（Field Effect），依據這種現場(chǎng)所發(fā)明的半導體器件稱(chēng)為場(chǎng)效應管，即Field Effect Transistor ，簡(jiǎn)稱(chēng)FET！這就是FET真實(shí)的內涵。

為了方便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，科學(xué)家們發(fā)明了一種像三明治的結構。這種結構的最上層是金屬，一般是鋁化合物，中間層是氧化物，一般是氧化硅，下面是P型半導體，此處也稱(chēng)為P型襯底。這種器件被稱(chēng)為Metal Oxide Semiconductor，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS。

在金屬層和襯底之間加上電場(chǎng)，于是在氧化物的下面就聚集了電子，形成一個(gè)反轉層。本來(lái)是P型襯底，出現了電子層，中文書(shū)里面也叫做“溝道”，也被稱(chēng)為N溝道。

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把這個(gè)材料繼續加工，在P型襯底的兩肩腐蝕出N型的電極，于是NMOS就這么產(chǎn)生了！金屬層被稱(chēng)為G極、即柵極；N型摻雜濃度高的一端稱(chēng)為S極、即源極，摻雜濃度稍微低點(diǎn)的一端稱(chēng)為D極，即漏極。“源”是源頭的意思，它的濃度高、可以提供更多的載流子，在N型半導體里，溝道內部是電子，如果能夠形成一個(gè)電流通路，那么源極也應該提供的是電子。

在外部偏壓形成的電場(chǎng)力作用下，電子由S流向D。因為電流定義的方向跟電子流動(dòng)的方向相反，所以此時(shí)電流從D流向S。因此，D點(diǎn)的點(diǎn)位要比S點(diǎn)高。

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至此，我們就清楚了什么是MOS，MOSFET，NMOS。記住一點(diǎn)：NMOS指的是形成了N型的反轉層，那么它一定是在P型襯底上實(shí)現的。

同樣，對于襯底為N型的器件，我們要施加電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)空穴區，即P溝道，所以稱(chēng)為PMOS，空穴區需要低電平產(chǎn)生，所以G極的電勢要比源極低。P溝道流動(dòng)的是”空穴“，所以電流方向是S極流向D極，那么S極的電勢就要高。

至此，我們應該能分清什么是MOS、MOSFET、NMOS、PMOS了。從中我們也看出了，MOS管是一種G極電壓產(chǎn)生電場(chǎng)效應，控制DS兩端電流的可控器件。

（三）NMOS電路抽象

在電路里面，如何區分NMOS、PMOS以及電路如何連接呢？

現在我們想一下，襯底該怎么接，以NMOS為例，襯底P型，如果襯底接高電位，那么就形成了兩個(gè)PN結并聯(lián)的電路。所以P型襯底需要接低電位，根據上面說(shuō)的電流方向，N型MOS低電位為S極，所以襯底需要連S極。這就是為什么MOS管的電路圖總是看到襯底跟S極相連的原因！

下面詳細說(shuō)說(shuō)電路符號每一個(gè)細節所代表的意思。

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1. 沒(méi)有施加電場(chǎng)時(shí)，G極下沒(méi)有產(chǎn)生N溝道，所以電路圖中用虛線(xiàn)代表這一層意思。（以后的文章中會(huì )介紹不同種類(lèi)的MOSFET，G極為0V，沒(méi)有反轉層生成的器件稱(chēng)為增強型MOS管，還有一種是耗盡型MOS，對于耗盡型MOS，中間豎線(xiàn)是相連的。

2. 箭頭的意思代表襯底的PN結效應，P型襯底（NMOS）在G極產(chǎn)生電場(chǎng)下，靠近G極為電子區、遠離端為空穴區，所以電場(chǎng)下生產(chǎn)的PN效應指向G極！

3. 圖中的二極管是襯底與D之間體二極管，上文中也提到了，如果襯底接高電平，此時(shí)二極管直接導通，失去了MOS管控制的作用。大家此時(shí)應該立刻想到，如果NMOS的S極接了高電壓，D接了低電壓，MOS管直接導通！

（四）PMOS電路抽象

對于PMOS，再啰嗦一遍，PMOS的”P(pán)“即P溝道，一定是在N型襯底上產(chǎn)生的，襯底PN效應箭頭背離G極。N型襯底的兩肩上腐蝕出P型電極，流過(guò)溝道的是空穴，方向從源到漏，源為高摻雜，空穴運動(dòng)的方向同時(shí)也是電流的方向，也就是說(shuō)PMOS的電流從S到D，S為高電平。

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