一、简介

MOS管，是MOSFET的缩写。MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。

其中，G是栅极，S是源极，D是漏极。

二、nmos和pmos的原理与区别

NMOS

NMOS英文全称为N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思为N型金属-氧化物-半导体，而拥有这种结构的晶体管我们称之为NMOS晶体管。

MOS晶体管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，由NMOS组成的电路就是NMOS集成电路，由PMOS管组成的电路就是PMOS集成电路，由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路，即CMOS电路。

PMOS

PMOS是指n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管。

NMOS和PMOS工作原理

P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低，因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。

此外，P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高，要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性，与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。

PMOS因逻辑摆幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更低，在NMOS电路（见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路）出现之后，多数已为NMOS电路所取代。只是，因PMOS电路工艺简单，价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。

三、MOS管应用分析

1. 导通特性

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

2. MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

3.MOS管驱动

跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。

如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

四、MOS应用电路设计

在实际项目中，我们基本都用增强型，分为N沟道和P沟道两种。

我们常用的是NMOS，因为其导通电阻小，且容易制造。在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的，需要具体看数据手册。

了解MOS管的开通/关断原理你就会发现，使用PMOS做上管、NMOS做下管比较方便。使用PMOS做下管、NMOS做上管的电路设计复杂，一般情况下意义不大，所以很少采用。

下面先了解MOS管的开通/关断原理，请看下图：

NMOS管的主回路电流方向为D→S，导通条件为VGS有一定的压差，一般为5~10V（G电位比S电位高）；而PMOS管的主回路电流方向为S→D，导通条件为VGS有一定的压差，一般为-5~-10V（S电位比G电位高），下面以导通压差6V为例。

NMOS管

使用NMOS当下管，S极直接接地（为固定值），只需将G极电压固定值6V即可导通；若使用NMOS当上管，D极接正电源，而S极的电压不固定，无法确定控制NMOS导通的G极电压，因为S极对地的电压有两种状态，MOS管截止时为低电*，导通时接*高电*VCC。

当然NMOS也是可以当上管的，只是控制电路复杂，这种情况必须使用隔离电源控制，使用一个PMOS管就能解决的事情一般不会这么干，明显增加电路难度。

PMOS管

使用PMOS当上管，S极直接接电源VCC，S极电压固定，只需G极电压比S极低6V即可导通，使用方便；同理若使用PMOS当下管，D极接地，S极的电压不固定（0V或VCC），无法确定控制极G极的电压，使用较麻烦，需采用隔离电压设计。

NMOS PMOS CMOS

CMOS门电路由PMOS场效应管和NMOS场效应管以对称互补的形式组成，先介绍MOS管，然后再介绍由CMOS组成的门电路。

MOS英文全称Metal Oxide Semiconductor，中文全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管，属于一种电压控制型器件，正如其名，由金属(M)，氧化物(O)和半导体(S)构成，和三极管一样，既可以用来放大电路，也可以当作开关使用。

MOS管可分为耗尽型和增强型，每种类型又分为P沟道和N沟道。

增强型MOS管，栅极与衬底之间不加电压时，栅极下面没有沟道存在，耗尽型，栅极与衬底之间不加电压时，栅极下面已有沟道存在。

MOS管的图形符号如下，一般用增强型MOS管用于门电路分析。

MOS管图形符号

增强型MOS管有P沟道和N沟道两种，其结构原理基本类似，主要区别在于沉底和载流子不同，下面以N沟道增强型MOS管为例简单介绍下，其结构如下所示:

增强型NMOS管的结构

增强型NMOS管是以P型掺杂硅片为衬底，然后制作两个N型掺杂的区域，再制作一层电介质绝缘层，在两个N型掺杂的区域用金属导线连出，分别称为源极(source)和漏极(drain)，在两极中间的绝缘层上制作金属导电层，然后用导向连出称为栅极(gate)，衬底一般也用导线连出和源极连接在一起。

增强型MOS管需要在栅极加合适的电压才能工作，下面说明其工作原理：

增强型NMOS管工作原理

电源E1通过R1加到场效应管D, S极，电源E2通过开关S加到G, S极。

当开关S断开时，栅极无电压，由于衬底是P型，多数载流子是空穴；源，漏极是N型掺杂，多数载流子是电子，熟悉PN节的读者可以很快看出来，源极和漏极之间有两个背靠背的PN节，即使源，漏极加上电压，总有一个PN节处于反偏状态，源漏极之间没有导电沟道，所以电流为0；

当开关S闭合，场效应管栅极获得正电压，上面会带有正电荷，它产生的电场穿过电介质，将P衬底中的电子吸引过来并聚集，从而在两个都是N型掺杂的源漏极之间出现导电沟道，由于此时漏源之间加上的是正向电压，于是就会有电流从漏极流入，再经过导电沟道从S极流出，一般把形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用Vt表示，也即是图中E2电压。

如果改变E2电压大小，栅极下面的电场大小随之变化，吸引过来的电子数量也会发生变化，两个N区之间沟道宽度就会随之变化，通过的漏源极的电流大小就会发生变化。E2电压越高，沟道就会越宽，电流就会越大。

增强型MOS管的特点如下：

1. G, S极之间未加电压时，D, S极之间没有沟道，电流为0；

2. G, S极之间加上开启电压后，D, S极之间有沟道形成，D, S极之间有电流

为分析方便，可以认为当NMOS管，G极为高电*时导通，为低电*时截止；对于PMOS则相反，G极为低电*时导通，高电*时截止。

上面介绍了PMOS和NMOS基本概念，接下来介绍CMOS构成的逻辑门电路。

首先是CMOS非门电路，也叫反相器，结构图如下：

CMOS非门电路

VT1是PMOS管，VT2是NMOS管，电源输入端A分别与MOS管的G极连接，电路的输出端分别与MOS管的D极相连，PMOS的S极接电源VDD，NMOS管的S极接地。

CMOS反相器的工作原理如下：

• 当A端为高电*时，VT1 PMOS管截止，VT2 NMOS管导通，Y端输出为低电*，也即A=1，Y=0；

• 当A端为低电*时，VT2 NMOS管截止，VT1 PMOS管导通，Y端输出为高电*，也即A=0，Y=1。

综上所述，CMOS非门的输出端与输出端之间电*总是相反，实际上，不管输入端为高电*还是低电*，VT1和VT2始终有一个处于截止状态，电源与地之间基本无电流通过，因此CMOS非门电路的功耗很低。

然后介绍与非门，其电路结构图如下：VT1，VT2为PMOS管，VT3，VT4为NMOS管。

CMOS与非门

CMOS与非门工作原理如下：

• 当A，B端均为高电*时，VT1 PMOS，VT2 PMOS截止，VT3 NMOS，VT4 NMOS导通，Y端为低电*，即A=1，B=1时，Y=0；

• 当A，B端均为低电*时，VT1 PMOS，VT2 PMOS导通，VT3 NMOS，VT4 NMOS截止，Y端为高电*，即A=0，B=0时，Y=1;

• 当A端为低电*，B端为高电*时，A端低电*使VT2 PMOS导通，VT3 NMOS截止，B端高电*使VT1 PMOS截止，VT4 NMOS导通，所以Y端输出高电*，即A=0，B=1时，Y=1;

• 同理，当A端为高电*，B端为低电*时，输出端Y=1。

从上面分析可知，当输入端均为高电*时，输出端为0，只要有一个输入端为低电*，输出端就为1，满足或非的逻辑。

最后是CMOS或非门，其电路结构图如下：其中VT1，VT2为PMOS，VT3，VT4是NMOS。

CMOS或非门

CMOS或非门电路工作原理如下：

• 当A，B端均为高电*时，VT1 PMOS，VT2 PMOS截止，VT3 NMOS，VT4 NMOS导通，Y端为低电*，也即A=1，B=1时，Y=0；

• 当A，B端均为低电*时，VT1 PMOS，VT2 PMOS导通，VT3 NMOS，VT4 NMOS截止，Y端为高电*，也即A=0，B=0时，Y=1；

• 当A端为低电*，B端为高电*时，A端低电*使VT1导通，VT3截止，B端高电*使VT2截止，VT4导通，由于VT2截止，VT4导通，Y端输出低电*，也即A=0，B=1时，Y=0；

• 同理：A端为高电*，B端为低电*时，输出端Y为0。