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 × 10^21^,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。
# 参考
01改变世界:集成电路:芯片时代的到来 - 简书 (opens new window)
Mos管的工作原理_哔哩哔哩_bilibili (opens new window)
你怎么不早说!MOS管符号这样区分我就懂了。_哔哩哔哩_bilibili (opens new window)