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        不再霧里看花 全面認識MOSFET

        發布日期:2022-12-23 點擊次數:205

        MOS管的工作原理
        mos管在電路中一般用作電子開關,在開關電源中常用MOS管的漏極開路電路,漏極原封不動地接負載,叫開路漏極,開路漏極電路中不管負載接多高的電壓,都能夠接通和關斷負載電流。是理想的模擬開關器件。這就是MOS管做開關器件的原理。當然MOS管做開關使用的電路形式比較多了。

        MOS管


        一、場效應管和MOS管


        什么是MOS管?

        MOS,是MOSFET的縮寫。MOSFET 金屬-氧化物半導體場效應晶體管,簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。一般是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導體。

        記住 MOS管有 三個引腳名稱:G:gate 柵極;S:source 源極;D:drain 漏極。

        我們經常提到場效應管,MOS管是什么關系呢?

        MOS管屬于場效應管。

        什么是場效應管?

        場效應晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡稱場效應管。它是利用控制輸入回路的電場效應來控制輸出回路電流的一種半導體器件。由于它僅靠半導體中的多數載流子導電,又稱單極型晶體管。

        場效應管屬于電壓控制型半導體器件。具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現象、安全工作區域寬等優點。

        場效應管主要有兩種類型:

        1、結型場效應管(junction FET—JFET)。

        2、金屬 - 氧化物半導體場效應管(metal-oxide semiconductor FET,簡稱MOS-FET)。

        二、MOS管分類

        按溝道分類,場效應管分為PMOS管(P溝道型)和NMOS(N溝道型)管。

        按材料分類,可以分為耗盡型和增強型:

        增強型管:柵極-源極電壓 Vgs 為零時漏極電流也為零;耗盡型管:柵極-源極電壓 Vgs 為零時漏極電流不為零。

        其實歸納一下,就 4種類型的MOS管:

        增強型 PMOS,增強型 NMOS,耗盡型 PMOS,耗盡型 NMOS。

        在實際應用中,以 增強型NMOS 和 增強型PMOS 為主。所以通常提到NMOS和PMOS指的就是這兩種。結合下圖與上面的內容也能解釋為什么實際應用以增強型為主,主要還是電壓為0的時候,D極和S極能否導通的問題。

        下圖列出了四種MOS管的比較:

        4種MOS管的比較

        三、MOS管原理

        本文MOS管的原理說明以 增強型NMOS 為例。

        了解MOS管的工作原理,能夠讓我們能更好的運用MOS管,而不是死記怎么用。

        為了理解 MOS管的基本原理,首先要知道更基礎的N 型半導體 和 P 型半導體。

        N 型半導體

        N 型半導體也稱為電子型半導體。N型半導體即自由電子濃度遠大于空穴濃度的雜質半導體。

        半導體


        P型半導體

        P型半導體又稱空穴型半導體,是以帶正電的空穴導電為主的半導體。在P型半導體中,空穴為多子,自由電子為少子,主要靠空穴導電。摻入的雜質越多,多子(空穴)的濃度就越高。

        3.1 MOS管的制造

        MOS管是怎么制造的

        以P型半導體為襯底,在一個低摻雜容度 的 P 型半導體上,通過擴散技術做出來2塊 高摻雜容度 的 N 型半導體,引出去分別作為 源級(S) 和 漏極(D)。P型襯底在 MOS管內部是和 源級(S)相連。在P型襯底和兩個N型半導體 之間加一層 二氧化硅(SiO?)絕緣膜,然后通過多晶硅引出引腳組成柵極(G)。

        組成結構如下圖(增強型N溝道為例):

        增強型N溝道

        3.2 MOS管命名由來

        我們前面說過MOS管全名為:金屬 (Metal)—氧化物 (Oxide)—半導體 (Semiconductor)場效應晶體管,為什么會叫這個名字,我們通過上面的組成結構用圖來說明:

        MOS管命名如來

        3.3 MOS管圖標由來

        在前言部分我們就給出了MOS管的電路圖標,那么我們還是通過MOS管 組成結構來說明:

        MOS管圖表如來

        3.4 MOS管原理簡析

        MOS管結構原理圖解:

        Vgs電壓的強弱決定了反型層的厚??!

        而反型層的厚薄決定了MOS管內阻的大??!

        內阻的大小決定了D和S之間經過電流的大??!

        3.5 MOS管輸出特性曲線

        對于N溝道增強型的MOS管,當Vgs >Vgs(th)時,MOS就會開始導通,如果在 D 極和 S 極之間加上一定的電壓,就會有電流Id產生。在一定的Vds下,D極電流 Id 的大小是與 G極電壓Vgs有關的。我們先來看一下MOS管的輸出特性曲線,MOS管的輸出特性可以分為三個區:夾斷區(截止區)、恒流區、可變電阻區。

        MOS管輸出特性曲線


        VGS < VGS(th)時,MOS管處于夾斷區(截止區):

        夾斷區在輸出特性最下面靠近橫坐標的部分,表示MOS管不能導電,處在截止狀態。電流ID為0,管子不工作。

        VGS≥VGS(th),且VDS>VGS-VGS(th),MOS管進入恒流區:

        恒流區在輸出特性曲線中間的位置,電流ID基本不隨VDS變化,ID的大小主要決定于電壓VGS,所以叫做恒流區,也叫飽和區,當MOS用來做放大電路時就是工作在恒流區(飽和區)。注:MOS管輸出特性的恒流區(飽和區),相當于三極管的放大區。

        VGS>VGS(th) ,且VDS < VGS - VGS(th),MOS管進入可變電阻區:

        可變電阻區在輸出特性的最左邊,Id隨著Vds的增加而上升,兩者基本上是線性關系,所以可以看作是一個線性電阻,當VGS不同電阻的阻值就會不同,所以在該區MOS管相當就是一個由VGS控制的可變電阻。

        擊穿區:
        隨著VDS增大,PN結承受太大的反向電壓而被擊穿。

        3.6 MOS管轉移特性曲線

        根據MOS管的輸出特性曲線,可取得到相應的轉移特性曲線。

        MOS管轉移特性曲線

        反應了 MOS管的特性,通過 Vgs的電壓來控制 ID(導通電流), 壓控流型器件!

        為什么介紹MOS管的文章都以NMOS舉例?

        說白了就是NMOS相對 PMOS 來說:簡單點。

        這個簡單點,包括生產難度,實現成本,實現方式等等。對于人類發展而言,肯定是從某個事物簡單的的部分開始深入研究發展,教學也是相同的道理,從某個簡單部分開始更能夠讓人入門了解一個事物,然后再步步深入。

        究其根本原因,簡單概括如下:

        我們通過原理分析可以得知,NMOS 是電子的移動,PMOS那就是空穴的移動,空穴的遷移率比電子低,尺寸與電壓相等的條件下,PMOS的跨導小于 NMOS,形成空穴溝道比電子溝道更難。

        PMOS的閾值電壓教NMOS高,因此需要更高的驅動電壓,充放電時間長,開關速度更低。

        PMOS的導通電阻大,發熱大,相對NMOS來說不易通過大電流。

        所以導致現在的格局:NMOS價格便宜,廠商多,型號多。PMOS價格貴,廠商少,型號少。(相對而言,其實MOS管發展到現在,普通的應用 PMOS 和 NMOS 都有大量可方便選擇的型號)

        四、MOS管特點

        1、輸入阻抗非常高,因為MOS管柵極有絕緣膜氧化物,甚至可達上億歐姆,所以他的輸入幾乎不取電流,可以用作電子開關。

        2、導通電阻低,可以做到幾個毫歐的電阻,極低的傳導損耗。

        3、開關速度快,開關損耗低,特別適應PWM輸出模式。

        4、在電路設計上的靈活性大,柵偏壓可正可負可零,三極管只能在正向偏置下工作,電子管只能在負偏壓下工作;

        4、低功耗、性能穩定、抗輻射能力強,制造成本低廉與使用面積較小、高整合度。

        5、極強的大電流處理能力,可以方便地用作恒流源。

        所以現在芯片內部集成的幾乎都是MOS管。

        6、MOS管柵極很容易被靜電擊穿,柵極輸入阻抗大,感應電荷很難釋放,高壓很容易擊穿絕緣層,造成損壞。

        前面的幾點也可以說是MOS管的優點。最后一點容易擊穿也是相對來說的,現在的mos管沒有那么容易被擊穿,不少都有二極管保護,在大多數CMOS器件內部已經增加了IO口保護。

        用手直接接觸CMOS器件管腳不是好習慣。

        五、MOS管參數

        MOS管的參數在每一個MOS管的手冊上面都有說明,比如:

        MOS管的參數

        對于實際項目應用,主要關注下面幾個參數,其他參數可以自己根據需求你查看手冊。

        1、VGS(th)(開啟電壓)

        當外加柵極控制電壓 VGS 超過 VGS(th) 時,漏區和源區的表面反型層形成了連接的溝道。

        應用中,常將漏極短接條件下 ID 等于 1 毫安時的柵極電壓稱為開啟電壓。此參數一般會隨結溫度的上升而有所降低。

        MOS管的導通條件

        MOS管的開關條件:

        N溝道:導通時 Vg> Vs,Vgs> Vgs(th)時導通;

        P溝道:導通時 Vg< Vs,Vgs< Vgs(th)時導通。

        MOS管導通條件:|Vgs| > |Vgs(th)|

        2、VGS(最大柵源電壓)

        柵極能夠承受的最大電壓,柵極是MOS管最薄弱的地方,設計的時候得注意一下,加載柵極的電壓不能超過這個最大電壓。

        3、RDS(on)(漏源電阻)

        導通時漏源間的最大阻抗,它決定了MOSFET導通時的消耗功率。這個值要盡可能的小,因為一旦阻值偏大,就會使得功耗變大。

        MOS管 導通后都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。

        現在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。

        4、ID(導通電流)

        最大漏源電流。是指場效應管正常工作時,漏源間所允許通過的最大電流。場效應管的工作電流不應超過 ID 。

        一般實際應用作為開關用需要考慮到末端負載的功耗,判斷是否會超過 ID。

        5、VDSS(漏源擊穿電壓)

        漏源擊穿電壓是指柵源電壓VGS 為 0 時,場效應管正常工作所能承受的最大漏源電壓。

        擊穿后會使得 ID 劇增。

        這是一項極限參數,加在場效應管上的工作電壓必須小于 V(BR)DSS 。

        6、gfs(跨導)

        是指漏極輸出電流的變化量與柵源電壓變化量之比,

        是表征MOS管放大能力的一個重要參數,是柵源電壓對漏極電流控制能力大小的量度。

        過小會導致 MOS 管關斷速度降低,過大會導致關斷速度過快, EMI特性差。

        MOS管的寄生電容

        寄生電容是指電感,電阻,芯片引腳等在高頻情況下表現出來的電容特性。

        實際上,一個電阻等效于一個電容,一個電感,一個電阻的串聯,低頻情況下表現不明顯,而高頻情況下,等效值會增大。

        MOS管用于控制大電流通斷,經常被要求數十K乃至數M的開關頻率,在這種用途中,柵極信號具有交流特征,頻率越高,交流成分越大,寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流,形成柵極電流。消耗的電能、產生的熱量不可忽視。

        加在 G 極的弱驅動信號瞬間變為高電平,但是為了“灌滿”寄生電容需要時間,就會產生上升沿變緩,影響開關頻率。

        在MOS管的規格書中,有這么幾個電容參數:

        MOS管電容參數

        對于這幾個電容參數,看下圖所示:

        MOS管電容參數

        一般從單片機普通應用來說,我們對這個開關要求沒那么高,如果不是特殊應用場合可以不用深究。

        但是不能忽略寄生電容,所以在我們的MOS使用時候,就會在GS級加上一個電阻,用來釋放寄生電容的電流。

        米勒電容

        這三個等效電容是構成串并聯組合關系,它們并不是獨立的,而是相互影響,其中一個關鍵電容就是米勒電容Cgd。這個電容不是恒定的,它隨著柵極和漏極間電壓變化而迅速變化,同時會影響柵極和源極電容的充電。

        額外說明一下,三極管也有米勒電容和米勒效應,但是相對來說MOS管的米勒電容會比三極管的大很多(具體原因由于工藝問題和MOS管特性問題,阻抗大 —> 電流小 —> 充電時間長 —> 等效電容大)。

        米勒效應會嚴重增加MOS的開通損耗,因為它延長了MOS的開通時間,同時會降低MOS的開關速度。但因為MOS管的制造工藝,一定會產生Cgd,也就是米勒電容一定會存在,所以米勒效應不能避免,只有采用適當的方法減緩。

        一般有四種方法:

        ①選擇合適的門極驅動電阻RG

        ②在 G 和 S 之間增加電容

        ③采用負壓驅動

        ④門極有源鉗位

        為什么常在MOS管GS并聯電阻?

        借用我實際使用的一個電路:

        電路

        其中 R1,就是我們現在說的GS間的并聯電阻,上文說到過,電阻的作用是用來釋放寄生電容的電流。

        那么原因我們來分析一下,還是要借用一下上面的圖:

        電路

        總結一下:

        1、起到防ESD靜電的作用,避免處在一個高阻態。這個電阻可以把它當作是一個泄放電阻,避免MOS管誤動作,從而 損壞MOS管的柵GS極;

        2、提供固定偏置,在前級電路開路時,這個的電阻可以保證MOS有效的關斷(理由:G極開路,當電壓加在DS端時候,會對Cgd充電,導致G極電壓升高,不能有效關斷)

        GS端電阻阻值選擇:

        建議是一般取5K至數10K左右,太大影響 MOS 管的關斷速度。太小驅動電流會增大,驅動功率增大。但是在有些地方大一點也無所謂,比如電源防反接等不需要頻繁開關的場合(上面示例圖)。

        為什么要在MOS管G級串聯電阻?

        還是在上面的示例圖,R2,就是G級的串聯電阻。這個電阻有什么作用呢?

        串聯電阻還是因為寄生電容!在G級 串聯一個電阻,與 Ciss(Ciss = Cgd+Cgs)形成一個RC充放電電路,可以減小瞬間電流值, 不至于損毀MOS管的驅動芯片。

        網上還有一種說法是:抑制振蕩

        MOS管接入電路,也會有引線產生的寄生電感的存在,與寄生電容一起,形成LC振蕩電路。對于開關方波波形,是有很多頻率成分存在的,那么很可能與諧振頻率相同或者相近,形成串聯諧振電路。

        串聯一個電阻,可以減小振蕩電路的Q值,是振蕩快速衰減,不至于引起電路故障。

        G級電阻阻值選擇:

        一般不建議太大,網上建議百歐以內,會減緩MOS管的開啟與通斷時間,增加損耗,但是在有些地方大一點也無所謂,比如電源防反接等不需要頻繁開關的場合(上面示例圖)。

        最后說明一下上面這兩個問題,具體情況要具體分析,電阻的選擇不是絕對的,比如上面示例我實際使用的電路,我 GS 的并聯電阻使用了1M,G級串聯的電阻使用了10K,對于我的防反接電路來說,也是正常的,大一點還能降低點電量工作時候的功耗。

        雖然不能給出絕對的參考,但是我們分析了電阻大小對電路的影響,所以根據自己使用的場合才能最終確定自己合適的阻值。

        六、MOS管的封裝

        不同的封裝形式,MOS管對應的極限電流、電壓和散熱效果都會不一樣,這里根據博主使用過的和一些常見的做一些介紹。

        1、SOT-23

        一般單片機方案中最常用的封裝,適于幾A電流、60V及以下電壓環境中采用。

        SOT-23

        2、SOT-223

        也是單片機方案中最常用的封裝,一般也是幾A電流、60V及以下電壓環境。

        SOT-223

        3、TO-252

        是目前主流封裝之一,電流可以到70A,電壓100V以內(電壓與電流成反比,電流越大,電壓越?。?。

        TO-252

        4、TO-220/220F

        這兩種封裝樣式的MOS管外觀差不多,可以互換使用,不過TO-220背部有散熱片,其散熱效果比TO-220F要好些,價格相對也要貴些。這兩個封裝產品適于中壓大電流120A以下、高壓大電流20A以下的場合應用?!?/p>

        TO-220

        另外還有一些其他的封裝:TO-263,TO-3P/247,TO-251,TO-92,SOP-8,就不一一介紹了。

        七、MOS管判別

        以下圖封裝的MOS管為例說明,除了SOT-23 封裝,只要是這種類型3腳的封裝,

        那么他的G、D、S一定是按照下圖所示的方向定義的:

        MOS管判別方向

        重要:如果用測量之前將MOS的3個極短接,泄放MOS管內部電荷,確保MOS截止?。?!

        判別是NMOS 還是 PMOS 以及MOS管好壞。

        將萬用表調至二極管檔,將紅表筆接在MOS的S極,黑表筆接在D極, 如果這時候萬用表顯示0.4V~0.9V(二極管特性,不同MOS管有一定差異)電壓值,說明這很可能是一個 NMOS;如果沒有讀數,說明這很可能是一個PMOS,

        為什么說很可能是,因為得考慮到一種情況,MOS管D和S已經擊穿損壞或者是寄生二極管開路損壞。

        所以只需要將上面的紅黑表筆返回來再測試一遍,如果情況相反,那么就能夠判斷是 NMOS 還是PMOS。

        如果上面操作萬用表都顯示一定的電壓值,代表MOS管D和S已經擊穿損壞。

        如果上面操作萬用表都顯示1,代表MOS管寄生二極管開路損壞。

        將萬用表調至蜂鳴器檔或者電阻檔,將紅表筆接在MOS的G極,黑表筆接在S極,蜂鳴器不會響,GS阻抗比較大,代表GS沒有擊穿損壞。

        另外說明:網上確實有文章使用萬用表判斷一個MOS管的G,S,D級,可這里我在實際工作中,確實真沒有用到過,但并不表示我認為沒有用。如果今后真實遇到,我會來更新此部分。

        八、MOS管應用

        前面也提到過,現在芯片內部集成的幾乎都是MOS管??梢奙OS管現在在電子產品的地位,

        MOS管產品可廣泛的應用于電源,通訊,汽車電子,節能燈,家電等產品。

        具體比如:開關電源應用,恒流源,MOS管可應用于放大,阻抗變換,可變電阻等。

        MOS管的應用 是基于 MOS管的特點優勢來決定的。

        我這里大話不說,針對自己的行業單領域,總結了幾個比較實際的應用場合:

        1、作開關管用

        2、防反接用

        相對于二極管來說,MOS管還是有很大的優勢

        MOS管防反作用

        3、作電平轉換用

        電路小課堂會更新電平轉換電路。

        轉換電路

        4、彌勒平臺用于緩啟電路

        當然正如本節開頭所說,MOS管的應用非常的廣,這里的列舉只是針對單片機系統領域的小型電子產品應用而言。

        MOS管現如今用途極為廣泛,包括電視機高頻頭開關電源。現在把雙極型普通三極管和MOS復合在一起形成IGBT絕緣柵雙極型晶體管,廣泛應用于大功率領域,MOS集成電路具有功耗低的特性,現在CPU已經廣泛采用MOS電路了。

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