MOS管的原理及其用法 - blogernice

MOS管的原理及其用法

        除了电容、电感外，处理器供电用料发生改变的还包括场效应管（MOSFET）， 全称：

金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide -Semiconductor Field Effect Transistor），

一般被叫做MOS管。MOSFET应用于电流的放大，由于MOSFET的输入阻抗很高，因此MOSFET非常适合用作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换，同时用作可变电阻，以获得恒流源。

　　MOS管这个黑色方块在供电电路里表现为受到栅极电压控制的开关。每相的上桥和下桥轮番导通，对这一相的输出扼流圈进行充电和放电，就在输出端得到一个稳定的电压。每相电路都要有上桥和下桥，所以每相至少有两颗MOSFET,而上桥和下桥都可以用并联两三颗代替一颗来提高导通能力，因而每相还可能看到总数为三颗、四颗甚至五颗的MOSFET.

　　MOS管的封装类型种类繁多，多数厂商都会对传统的封装类型进行改造，例如英飞凌、飞利浦、安森美、Vishay等对SO-8封装进行了一系列改进，演化出WPAK、LFPAK、LFPAK-i、POWERPAK、POWER SO-8等封装形式，使得SO-8的尺寸内能通过类似D-PAK的电流，还能节省空间并获得更好的电气性能。

　　好的用料品质对系统的稳定性、兼容性、超频性都有一定影响。

学习MOS管相关知识，大多数是整理得来并非原创。 

 

 

一、 一句话MOS管工作原理

     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)，只要栅极电压达到一定电压（如4V或10V, 其他电压，看手册）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。

二、

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。
    1，MOS管种类和结构
   MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。
    至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。
   
    对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。

    MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。
    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、继电器），这个二极管很重要，用于保护回路。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。

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，而且开关频率越快，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。

    上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。

    MOS管的驱动电路及其损失，可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细，所以不打算多写了。

5，MOS管应用电路
    MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。
   

参数含义：

 Rds(on)：DS的导通电阻.当Vgs=10V时，MOS的DS之间的电阻
Id：     最大DS电流.会随温度的升高而降低
Vgs:     最大GS电压.一般为：-20V~+20V
Idm:     最大脉冲DS电流.会随温度的升高而降低，体现一个抗冲击能力，跟脉冲时间也有关系
Pd:      最大耗散功率
Tj:      最大工作结温，通常为150度和175度
Tstg:    最大存储温度
Iar:     雪崩电流
Ear:     重复雪崩击穿能量
Eas:     单次脉冲雪崩击穿能量
BVdss：  DS击穿电压
Idss:    饱和DS电流，uA级的电流
Igss:    GS驱动电流，nA级的电流.
gfs:     跨导
Qg:      G总充电电量
Qgs:     GS充电电量 
Qgd:     GD充电电量
Td(on):  导通延迟时间，从有输入电压上升到10%开始到Vds下降到其幅值90%的时间
Tr:      上升时间，输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间
Td(off): 关断延迟时间，输入电压下降到 90% 开始到 VDS 上升到其关断电压时 10% 的时间
Tf:      下降时间，输出电压 VDS 从 10% 上升到其幅值 90% 的时间 ( 参考图 4) 。 
Ciss:    输入电容，Ciss=Cgd + Cgs.
Coss:    输出电容，Coss=Cds +Cgd. 
Crss:    反向传输电容，Crss=Cgc.
 
 总结：
N沟道的电源一般接在D，输出S，P沟道的电源一般接在S，输出D。
增强耗尽接法基本一样。
P是指P沟道,N是指N沟道。
G：gate 栅极
S：source 源极
D：drain 漏极
 
以RJK0822SPN的POWER MOS为例：
 Drain to source voltage:VDSS漏源极电压80V
Gate to source voltage：VGSS ±20   门源电压这三种应用在各个领域都有详细的介绍，这里暂时不多写了。以后有时间再总结。

 

 P沟道：

P沟道的管子使用的时候你只需要记住几件事情：当栅极（G）的电压比漏极的电压(D)小5V以上（有的管子可以更低），管子就开始导通，压差越大，G和S（源极）之间的电阻就越小，损耗也就越小，但是不能太大。还有一件事情就是G和S之间的最大耐压，元器件手册上有说明。最后就是G和S之间容许通过的最大电流，这个元器件手册上写的也很清楚。

N沟道：

结构上，N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似,其区别仅在于栅－源极间电压vGS=0时，耗尽型MOS管中的漏－源极间已有导电沟道产生，而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。

原因是制造N沟道耗尽型MOS管时，在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子)，因此即使vGS=0时，在这些正离子产生的电场作用下，漏－源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道)，只要加上正向电压vDS，就有电流iD。如果加上正的vGS，栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子，沟道加宽，沟道电阻变小，iD增大。反之vGS为负时，沟道中感应的电子减少，沟道变窄，沟道电阻变大，iD减小。当vGS负向增加到某一数值时，导电沟道消失，iD趋于零，管子截止，故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压，仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同，N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值，但是，前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0，vGS>0，VP<vGS<0的情况下均能实现对iD的控制，而且仍能保持栅-源极间有很大的绝缘电阻,使栅极电流为零。这是耗尽型MOS管的一个重要特点。

MOS场效应晶体管通常简称为场效应管，是一种应用场效应原理工作的半导体器件，外形如图4-2，所示。和普通双极型晶体管相比拟，场效应管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大、功耗小、易于集成等特性，得到了越来越普遍的应用.

场效应管的品种很多，主要分为结型场效应管和绝缘栅场效应管两大类，又都有N沟道和沟道之分。

绝缘栅场效应管也叫做金属氧化物半导体场效应管，简称为MOS场效应管，分为耗尽型MOS管和增强型MOS管。

场效应管还有单栅极管和双栅极管之分。双栅场效应管具有两个相互独立的栅极G1和G2，从构造上看相当于由两个单栅场效应管串联而成，其输出电流的变化遭到两个栅极电压的控制。双栅场效应管的这种特性，在作为高频放大器、增益控制放大器、混频器和解调器运用时会带来很大方便。

1，MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制构成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但理论应用的只需增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。至于为什么不运用耗尽型的MOS管，不建议寻根究底。关于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。缘由是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，普通都用NMOS。下面的引见中，也多以NMOS为主。 MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需求的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时分要省事一些，但没有办法避免，后边再细致引见。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，在驱动理性负载，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。

2，MOS管导通特性

导通的意义是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适宜用于源极接地时的情况（低端驱动），只需栅极电压抵达4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适宜用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，固然PMOS可以很便当地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价钱贵，交流种类少等缘由，在高端驱动中，通常还是运用NMOS。

3，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。往常的小功率MOS管导通电阻普通在几十毫欧左右，几毫欧的也有。MOS在导通和截止的时分，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个降落的过程，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，而且开关频率越快，损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大，构成的损失也就很大。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。mos管

4，MOS管驱动 跟双极性晶体管相比，普通以为使MOS管导通不需求电流，只需GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需求速度。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，理论上就是对电容的充放电。对电容的充电需求一个电流，由于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管驱动时第一要留意的是可提供瞬间短路电流的大小。第二留意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需求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。假设在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要特地的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要留意的是应该选择适合的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需求有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。往常也有导通电压更小的MOS管用在不同的范畴里，但在12V汽车电子系统里，普通4V导通就够用了。

MOS管主要参数如下：

1. 栅源击穿电压BVGS-在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开端剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。

2.开启电压VT-开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开端构成导电沟道所需的栅极电压；-规范的N沟道MOS管，VT约为3～6V；-经过工艺上的改良，能够使MOS管的VT值降到2～3V。 3. 漏源击穿电压BVDS-在VGS=0（加强型）的条件下 ，在增加漏源电压过程中使ID开端剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS-ID剧增的缘由有下列两个方面：
（1）漏极左近耗尽层的雪崩击穿
（2）漏源极间的穿通击穿-有些MOS管中，其沟道长度较短，不时增加VDS会使漏区的耗尽层不时扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直承受耗尽层电场的吸收，抵达漏区，产生大的ID。

4. 直流输入电阻RGS-即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比-这一特性有时以流过栅极的栅流表示-MOS管的RGS能够很容易地超越1010Ω。 5. 低频跨导gm-在VDS为某一固定数值的条件下 ，漏极电流的微变量和惹起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导-gm反映了栅源电压对漏极电流的控制才干-是表征MOS管放大才干的一个重要参数-普通在非常之几至几mA/V的范围内。

 

 

1. MOS管工作原理--MOS管简介

　　MOS管，即在集成电路中绝缘性场效应管。MOS英文全称为Metal-Oxide-Semiconductor即金属-氧化物-半导体，确切的说，这个名字描述了集成电路中MOS管的结构，即：在一定结构的半导体器件上，加上二氧化硅和金属，形成栅极。MOS管的source和drain是可以对调的，都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能,这样的器件被认为是对称的。

2. MOS管工作原理--Mos管的结构特点

　　MOS管的内部结构如下图所示;其导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET，大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

　　其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻，该管导通时在两个高浓度n扩散区间形成n型导电沟道。n沟道增强型MOS管必须在栅极上施加正向偏压，且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的n沟道MOS管。n沟道耗尽型MOS管是指在不加栅压(栅源电压为零)时，就有导电沟道产生的n沟道MOS管。

3. MOS管工作原理--MOS管的特性

　　3.1MOS管的输入、输出特性

　　对于共源极接法的电路，源极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为0。

　　图(a)为共源极接法的电路，输出特性曲线如右图所示。

　　当VGS

　　3.2MOS管的导通特性

　　MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压uGS决定其工作状态。下面以NMOS管为例介绍其特性。

　　图 (a)为由NMOS增强型管构成的开关电路。

　　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。

4. MOS管工作原理

　　MOS管的工作原理(以N沟道增强型MOS场效应管)它是利用VGS来控制“感应电荷”的多少，以改变由这些“感应电荷”形成的导电沟道的状况，然后达到控制漏极电流的目的。在制造管子时，通过工艺使绝缘层中出现大量正离子，故在交界面的另一侧能感应出较多的负电荷，这些负电荷把高渗杂质的N区接通，形成了导电沟道，即使在VGS=0时也有较大的漏极电流ID。当栅极电压改变时，沟道内被感应的电荷量也改变，导电沟道的宽窄也随之而变，因而漏极电流ID随着栅极电压的变化而变化。

知识延伸

MOS管的分类

　　按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种;按导电方式：MOS管又分耗尽型与增强型，所以MOS场效应晶体管分为N沟耗尽型和增强型;P沟耗尽型和增强型四大类。