MOS管
# 70.MOS管
MOS管:现代计算机的细胞
# MOS 管的发明
1959 年,就在集成电路和平面工艺相继问世的同时,贝尔实验室仿佛偷看了历史的剧本,正好研制出一种比 BJT 更适合集成新型晶体管,它的名字很长,叫金属氧化物半导体场效应晶体管(metal–oxide–semiconductor field-effect transistor),简称 MOSFET 或 MOS 管。
和 BJT 一样,MOS 管在结构上也分为 PNP 和 NPN 两种类型,分别唤作 P 型 MOS 管和 N 型 MOS 管,简称 PMOS 和 NMOS,两者原理类似,只是极性相反。
# MOS 工作方式
mos 管的电路符号:
当栅极没有电压,它是截止的,漏极的电流无法通过
当我们给栅极增加电压,电路就导通了。
改变栅极上的电压,可以控制源极与漏极之间的电流大小乃至电路通断,因而 MOS 管同样可以用于放大器和逻辑电路。
# MOS 原理
MOS 管的结构:蓝色区域是 N 型半导体,黄色区域的 P 型半导体
我们给 N 型半导体添加两个金属电极,并且接电:
此时电路是截止的 ,因为此时电路是 2 个二极管,且方向相反:
为了能够导通,在 P 区加了一个很薄的二氧化硅绝缘层(红色部分),绝缘层上面加了一个金属板(黑色部分),形成栅极 。我们给栅极也接上电:
此时栅极那里,就有电压,就会将电子吸引过来,把栅极赶走;当电压越大,吸引的电子越多
当自由电子够多,就形成 N 沟道(之所以这么叫是因为它是 N 型半导体之间的沟道),它取代了原本的 PN 结,使得两个 N 型半导体之间的空穴不存在
此时,我们可以将两个 N 型半导体和 N 沟道,看成是一整个 N 型半导体:
所以,在栅极施加电压后,电路就导通了!当我们把栅极的电压去掉,N 沟道就消失了。此时 MOS 管会截止电流。
下面说两个 MOS 管的特性:
- MOS 管的栅极 输入阻抗非常高,这是因为有绝缘层的存在 ,输入电阻能达到上亿欧姆。所以输入几乎不取电流,功耗很低,现代计算机基本都是使用 MOS 管
- MOS 管的栅极容易被静电击穿,造成绝缘层损坏,导致 MOS 管用不了
现在我们在看看这个电路符号,可以很好的理解:栅极的那个就是金属板,右边 3 个小竖线就是 2 个 N 型半导体和 N 沟道,箭头就是指电流的方向:
MOS 管全称是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal–oxide–semiconductor field-effect transistor),这里场效应就是指给栅极施加电压时,会吸引电子形成 N 沟道。
# MOS 管的优点
比起 BJT,MOS 管还有着诸多优势:
- 由于栅极和衬底之间没有电流,能耗更低
- 只有一种半导体参与导电,更稳定,更可靠;(更准确地说,是只有一种载流子(电子或空穴)参与导电。而 BJT 的导电过程中,电子和空穴都在运动,这也是其名中“双极”的由来,而 MOS 管属于单极晶体管)
- 源极和漏极是等效的,可以互换使用,结构更简单,使用更方便
- 最重要的是,集成工艺更简单、集成度更高
MOS 管问世后,包括 BJT 在内的其他晶体管几乎被碾压似的赶出了市场,1960~2018 年间,MOS 管的全球总产量高达 13 × 1021,占所有晶体管产量的 99.9% 以上。它的集成度有多高?一张 256GB 的 MicroSD 卡(长 15mm、宽 11mm)上包含着一万亿个 MOS 管,比银河系中的恒星还多得多。
三星公司于2016年推出的256GB MicroSD卡(图片来自https://news.samsung.com/global/wp-content/themes/btr_newsroom/download.php?id=3jp6Z3P2LQZRq3z1F%2F1tBritXa%2B8xRko9OzCnT8j0zI%3D)
# 参考
Mos 管的工作原理:https://www.bilibili.com/video/BV1344y167qm
你怎么不早说!MOS 管符号这样区分我就懂了:https://www.bilibili.com/video/av896640014
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