一、MOS 管的介绍

金属氧化物半导体场效电晶体，英文名 Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称为 MOS 管。按照电压类型可以分为「增强型」和「耗尽型」，按照沟道极性类型可以分为「P型」和「N形」

二、MOS 管的结构

以 N 沟道 MOS 管为例。主体为一块由 P 型半导体构成的基底（Substrat），在其上插入两块 N 型半导体，分别称之为源极（Source）和漏极（Drain），用字母和表示，半导体上有铝电极覆盖。然后再覆盖一层由二氧化硅构成的绝缘层（Insulator）。最后在绝缘层中央上加上第三个铝电极，就构成了 N 沟道 MOS 管，如下图。

封装时，会将源极再引一条线到基底底部，称之为基极（Base），用字母表示。基极与源极等电位

三、MOS 管的工作原理

以 N 沟道 MOS 管为例。

最开始，不加任何电压时，源极和漏极接的是 N 型半导体，极接的是型半导体，此时相当于两个背靠背的二极管，此时之间无法导通任何电流。

在之间施加一定的正向电压，保持、和等电位。此时原来极下方的型半导体中的空穴在电场作用下朝着向下方移动，而逐渐变成了型半导体，形成了所谓的「反向层」(Inversion layer)，如下图。这样一来，，和三极都被同一条沟道连接在了一起。我们称形成这条沟道所需要的最小的电压为「门槛电压」(threshold volatge)，简记为，其中表示 threshold，N表示形成的是沟道

如果同时施加和，此时负责打开通道，负责提供电压让载流子在两极间移动，形成了从流向的电流。沟道打开后，电阻变化不大，因此近似受到线性控制。但如果继续增加使得，在端就会出现「夹断现象」（Pinch-off），即电流饱和，不再随增加。可以认为，由「劈开」的通道已经达到宽度上限，无法容纳更多的载流子通过，因此如果不变，不管怎么增加，都无法再增加。

不同的对应着不同的曲线和夹断点（Pinch-off Point），把所有夹断点连起来，可以得到一条夹断曲线

综合以上四点，归纳出 MOS 管的核心要义：控制的导通。

还是不太懂？打个比方。决定沟道宽度，决定沟道中让载流子定向移动的电场。那么我们可以把 MOS 管理解成一条高速公路，而且是可变车道的高速公路，只不过上面飞驰的不是汽车，而是一个个载流子。其中是道路的两端，而的作用就是一个宽度调整器，并没有车子经过。

控制的就是「车道宽度」，而决定了道路的「通勤需求」。

对于截止区而言，就是太小，导致这条高速公路窄得一辆车都过不去，此时不管通勤需求有多大，只要车道不够宽，也依然一辆车都无法通过
对于线性区，足够大时，开拓了足够宽的车道。此时不管通勤需求有多大，这条高速都能满足。通勤需求越大，通过的车辆越多，即越大，越大，且呈近似线性关系。此时是「通勤压力决定车流」
而对于饱和区，就是通勤需求特别特别大，以至于占满了所有车道，开始堵车了。这个时候通勤压力再怎么大，能通过的车流就只有那么多了。想要更大车流？不好意思，老老实实加宽吧。此时是「车道宽度决定车流」

四、再论 MOS 管的分类

介绍完 MOS 管的结构和工作原理，现在就能解释开头提到的对 MOS 管的分类了。首先，根据沟道处的半导体类型，可以分为 P 沟道 MOS 管和 N 沟道 MOS 管。上文介绍的就是 N 沟道 MOS 管的工作原理。对于 P 沟道 MOS 管，基本类似，不同的是为了开启沟道，需要施加的。这从半导体的关系的角度是容易理解的。

另外一种分类方式，按照电压类型，MOS 管可以分为增强型和耗尽型。增强型指的是必须施加电压才能创造一个反转层来创造电流，而耗尽型在零电流时已经存在反转层，即增强型，耗尽型

综上，MOS 管可以分为四种：

增强型 P 沟道
耗尽性 P 沟道
增强型 N 沟道
耗尽形 N 沟道

它们的符号分别表示为

五、 MOS 管的特性曲线

上文在介绍工作原理时提到了特性曲线，这里对特性曲线做出具体定义。在固定的情况下，以为纵坐标，为横坐标做出的曲线叫做 MOS 管的输出特性曲线（Output Characteristics）。而固定，为横坐标做出的曲线叫做「传输特性曲线」（Transitional Characteristics）

如上图为输出特性曲线。首先我们先分析输出特性曲线的特点，大致可以分为以下三个区域

1. 截止区

当时，沟道没有打开，因此之间完全不导通，电流为零。曲线就是一条紧贴轴的直线。这个区域称为截止区（Cut-off Region）

2. 线性区

且时，沟道打开且足够宽，随增加而增加。实验表明，此时的与之间满足关系：

其中为常数，由半导体本身的几何尺寸和材料特性决定。可以表示为

其中为通道宽度，为通道长度，为反转层载流子迁移率，为单位面积氧化物电容大小，称为「导电参数」(Conduction paramter)。

回到和的关系。在很小的时候，忽略高阶小量得到

此时和就像电阻一样，近似的有一个线性关系，称这个区域为线性区（Linear Region）或欧姆区（Ohmic Region）我们可以把这个「电阻」表示为

3. 饱和区

且时，达到最大值

4. 饱和区的非理想模型

实际非理想情况下。在饱和区的也并不是完全不变的，可以表示为

其中，为沟道长度

可见在非理想情况下，之间还是存在了那么一丢丢线性关系，如下图

所有曲线都会交于负半轴的一点，我们把称为称为「厄利电压」（Early Voltage）。对于理想情况，，厄利电压为无穷大。

5. 曲线

在足够大时，达到饱和，此时电流的增长只取决于 $。$ 曲线是一条增长很快的曲线。

门槛电压

曲线与轴交于点，即前面提到的门槛电压，意味着当时，没有电流经过。

跨导

在任意点的斜率可以表示为

对于一个确定的静态工作点而言，是个常量

由，可以改写为

输出电阻

定义「输出电阻」（Output resistance）为在一定的下，和的比

六、MOS 放大电路的工作原理

1. 基本原理

为了构成放大电路，需要让 MOS 管工作在饱和区，即满足

由于在饱和区，因此利用这个原理，改变就可以造成发生很大的变化，如果在端串联一个电阻，则电流的变化会影响电阻上的压降，从而将电流的变化体现在上。综上，MOS 管放大电路在输入端给一个微小变化，从而给带来很大变化用来输出。下图就是一个最经典的共源放大电路。

2. 静态工作点

任何输入都存在直流和交流两部分，我们最关注的信号是交流信号。但直流部分决定了 MOS 管的「工作状态」，我们首先来研究直流部分。先让电路只有直流输入，为了让 MOS 管处于我们需要的饱和区工作状态，必须满足

根据上面的三个方程，在这个给定的直流输入下，当，，等条件给定时，我们就能唯一确定，，具体的值。此时称这个放大电路工作在一个「静态工作点」（Q-point），唯一确定的，，的值分别记为，，。其中大写表示是一个不变的直流量，表示这是一个 Q-point 值，这三个值是我们进行分析的基础。

在写题的时候，我们一概默认 MOS 管工作在饱和区，直接去算三个静态工作点值，算完以后需要检验是否满足条件，若不满足说明压根没工作在饱和区，推倒重算（但这种情况好像没遇到过）

3. 交流分析

实际输入在传递信号时，必然带有交流分量，从而会使得：

现在该如何求出这三个小信号，，？接下来介绍两种分析方式

3.1 图像法

图像法顾名思义，通过画图的方式求解。首先需要知道 MOS 管的输出特性曲线，即曲线

其次，根据已知条件找出静态工作点，在图像上找出这个对应的那条曲线，并且在输出回路中存在关系，在图像中同样画出这条方程所对应的直线。这样，这条直线必然交曲线与一点，这就找到了静态工作点，之后的任何交流信号都是在这个静态工作点附近摆动的。在这附近对形成了输出。

观赏上述图形发现，使得，整条放大路径可以表示为

这就是为什么 MOS 放大电路输出反相。

失真

如果静态工作点选取合适，那么输入输出就会像上图那样优美地一一对应。但如果 Q 点设置的明显偏高或偏低会怎么样呢？接下来我们设置两种极端情况的静态工作点来考察输出情况

截止失真

如果将静态工作点设置得特别低，即很小，几乎工作在截止区。则受其控制的的直流分量非常小。此时就有可能出现一种尴尬的情况，当输入信号给了一个负的交流信号时，就可能直接把给干没了，让它小于了，那就出大事了，MOS 管的工作状态直接进入了截止区，此时始终为零，从而让输出始终为，原有的信号丢失了，如下图。

我们称这种情况为「截止失真」(Cut-off distortion)

饱和失真

与之对应的就是当静态工作点设置的太高的时候，即相比还要大得多。本来我们的原意是让管够，由，即输入端来控制。但现在不够大，没有办法始终让沟道饱和，因此和原来的关系就被破坏了。如果输入端给了一个正的交流信号时，就可能直接把干到线性放大区，导致无法达到预期值，从而影响了正半周期的放大效果，如下图。

我们称这种情况为「饱和失真」(Saturation distortion)

（不是本来就应该工作在饱和区吗，为什么这里从饱和区跑到线性放大区被你说成饱和失真？我的理解是，这里的「饱和」的意思应该是：相对于，达到了所谓的饱和。而「饱和区」的饱和指的是相对于，达到了所谓的饱和。这个概念有点绕，得花点时间细品）

3.2 小信号模型

图像法可以很直观地展示失真，但是并没有讲清楚具体的计算。真要计算咱还得上数学。首先先对的关系做一个整理。先忽略，根据之前对饱和区的分析有

其中

我们关心的是小交流信号对的影响。根据上式可以发现，由三个部分组成——直流分量，一阶交流分量和二阶交流分量。由于，因此可以忽略二阶交流分量，即

现在我们去掉直流部分，单独考虑交流输入产生的交流响应，居然是个简单的！那说明可以直接用一个受控电流源来替代 MOS 管！

如上图，小信号输入以受控电流源的方式控制。

但是实际情况下，，如果考虑的影响，那这个电流源还有一个并联的内阻，如图

其阻值可以表示为

这样就可以使用电路理论的知识求解各种参数了。这种分析方法称为「小信号模型」（Small-signal model）

在实际做题中，我们需要将原来的电路化为小信号模型，这就需要把输入直流分量置零，短路所有电容，并且把也给接地。

通过小信号模型，我们就可以计算出放大电路的各种参数

电压放大倍数

根据小信号模型有

$，$

因此

其中

输入端电阻

端开路，故

输出端电阻

怎么求输出电阻？先把输入置零，置零后相当于电流源开路，则

注意

不同类型的 MOS 管，所用的小信号模型不同
电流方向与的极性有关
和是交流参数，只适用于交流分析，其值取决于静态工作点。

常见的 MOS 放大电路

MOS 放大电路可以分为

共源极放大电路（Common-Source）
共漏极放大电路（Common-Drain）
共栅极放大电路（Common-Gate）

如何区分？看输入端和输出端分别接在哪里，剩下的那一极就是共用极

共源极放大电路

特点：

电压放大倍数很大
输入和输出电压反相
输入电阻很大

共漏极放大电路

特点：

电压放大倍数小于1或近似为1
输入和输出电压同相
输入电阻很大
输出电阻很小

共栅极放大电路

特点：

电压放大倍数很大，但电流放大倍数比1小
输入和输出电压同相
输入电阻很小

放大电路中的电容

耦合电容

耦合电容是连接信号源和放大电路、放大电路和负载或两级放大电路的。这个电容一般对交流信号也视为短路，同时有隔直的作用。

旁路电容

旁路电容是和一个电阻并联的电容，电容的容抗远远小于电阻的阻抗，这个电容一般对交流信号视为短路，也就是交流信号通过电容而不通过电阻，从电阻旁边走了。通常电阻的一端接地。

上图中，C1和C2是耦合电容，Ce是旁路电容。

在前面的所有交流分析，认为电容短路，对直流来说开路

考试要求

基本上大概率考共源极的放大电路，一定要争取拿高分。