MOS管知識(shí)概述-結(jié)構(gòu)圖文詳解與應(yīng)用-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-01-03
mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的，即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱的。
場(chǎng)效應(yīng)管（FET），把輸入電壓的變化轉(zhuǎn)化為輸出電流的變化。FET的增益等于它的跨導(dǎo)， 定義為輸出電流的變化和輸入電壓變化之比。市面上常有的一般為N溝道和P溝道，詳情參考右側(cè)圖片（P溝道耗盡型MOS管）。而P溝道常見(jiàn)的為低壓mos管。
場(chǎng)效應(yīng)管通過(guò)投影一個(gè)電場(chǎng)在一個(gè)絕緣層上來(lái)影響流過(guò)晶體管的電流。事實(shí)上沒(méi)有電流流過(guò)這個(gè)絕緣體，所以FET管的GATE電流非常小。最普通的FET用一薄層二氧化硅來(lái)作為GATE極下的絕緣體。這種晶體管稱為金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管，或,金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。因?yàn)镸OS管更小更省電，所以他們已經(jīng)在很多應(yīng)用場(chǎng)合取代了雙極型晶體管。
mos管學(xué)名是場(chǎng)效應(yīng)管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管，屬于絕緣柵型。本文就結(jié)構(gòu)構(gòu)造、特點(diǎn)、實(shí)用電路等幾個(gè)方面用工程師的話簡(jiǎn)單描述。其結(jié)構(gòu)示意圖：
MOS場(chǎng)效應(yīng)三極管分為：增強(qiáng)型（又有N溝道、P溝道之分）及耗盡型（分有N溝道、P溝道）。N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見(jiàn)上圖。其中：電極 D（Drain） 稱為漏極，相當(dāng)雙極型三極管的集電極；
電極 G（Gate） 稱為柵極，相當(dāng)于的基極；
電極 S（Source）稱為源極，相當(dāng)于發(fā)射極。
在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏——源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在出廠前已連接好)。它的柵極與其它電極間是絕緣的。
圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。
（1）vGS對(duì)iD及溝道的控制作用
① vGS=0 的情況
從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵——源電壓vGS=0時(shí)，即使加上漏——源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏——源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD≈0。
② vGS>0 的情況
若vGS＞0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子。
排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。
（2）導(dǎo)電溝道的形成：
當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏——源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏——源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導(dǎo)體表面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。
開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵——源極電壓稱為開(kāi)啟電壓，用VT表示。
上面討論的N溝道MOS管在vGS＜VT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGS≥VT時(shí)，才有溝道形成。這種必須在vGS≥VT時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。溝道形成以后，在漏——源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。
vDS對(duì)iD的影響
如圖(a)所示，當(dāng)vGS>VT且為一確定值時(shí)，漏——源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似。
漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGS－vDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較小（vDS
隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來(lái)越薄，當(dāng)vDS增加到使VGD=vGS－vDS=VT(或vDS=vGS－VT)時(shí)，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。
（1）結(jié)構(gòu)：
N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。
（2）區(qū)別：
耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏——源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在vGS≥VT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。
（3）原因：
制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時(shí)，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，漏——源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正向電壓vDS，就有電流iD。
如果加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來(lái)更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵－源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在vGS<0的情況下工作。而后者在vGS=0，vGS>0。
P溝道MOSFET的工作原理與N溝道MOSFET完全相同，只不過(guò)導(dǎo)電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有NPN型和PNP型一樣。
上述MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于SiO2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個(gè)電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場(chǎng)從而導(dǎo)致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時(shí)的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。這就可以得出如下結(jié)論：
1） mos管是一個(gè)由改變電壓來(lái)控制電流的器件，所以是電壓器件。
2） mos管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。
1.可應(yīng)用于放大。由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。
2.很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級(jí)放大器的輸入級(jí)作阻抗變換。
3.可以用作可變電阻。
4.可以方便地用作恒流源。
5.可以用作電子開(kāi)關(guān)。
6.在電路設(shè)計(jì)上的靈活性大。柵偏壓可正可負(fù)可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負(fù)偏壓下工作。另外輸入阻抗高，可以減輕信號(hào)源負(fù)載，易于跟前級(jí)匹配。
做電源設(shè)計(jì)，或者做驅(qū)動(dòng)方面的電路，難免要用到MOS管。MOS管有很多種類，也有很多作用。做電源或者驅(qū)動(dòng)的使用，當(dāng)然就是用它的開(kāi)關(guān)作用。
無(wú)論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì)發(fā)生像三極管做開(kāi)關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，因此在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，
MOS管的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。其主要原理如圖：
MOS管的工作原理
在開(kāi)關(guān)電源中常用MOS管的漏極開(kāi)路電路，如圖2漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載，叫開(kāi)路漏極，開(kāi)路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開(kāi)關(guān)器件。這就是MOS管做開(kāi)關(guān)器件的原理。當(dāng)然MOS管做開(kāi)關(guān)使用的電路形式比較多了。
NMOS管的開(kāi)路漏極電路
在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用方面，這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個(gè)MOS管來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)功能，這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量，然后把能量釋放給負(fù)載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率，因?yàn)轭l率越高，磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間，MOS管只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此，我們電路或者電源設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導(dǎo)損耗。
我們經(jīng)常看MOS管的PDF參數(shù)，MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來(lái)定義導(dǎo)通阻抗，對(duì)開(kāi)關(guān)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動(dòng))電壓VGS以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS(ON)是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。
其發(fā)熱情況有：
1.電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個(gè)原因。如果N-MOS做開(kāi)關(guān)，G級(jí)電壓要比電源高幾V，才能完全導(dǎo)通，P-MOS則相反。沒(méi)有完全打開(kāi)而壓降過(guò)大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計(jì)電路的最忌諱的錯(cuò)誤。
2.頻率太高，主要是有時(shí)過(guò)分追求體積，導(dǎo)致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。
3.沒(méi)有做好足夠的散熱設(shè)計(jì)，電流太高，MOS管標(biāo)稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴(yán)重，需要足夠的輔助散熱片。
4.MOS管的選型有誤，對(duì)功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒(méi)有充分考慮，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)阻抗增大。
mos管的三個(gè)極分別是：G（柵極），D（漏極）s（源及），要求柵極和源及之間電壓大于某一特定值，漏極和源及才能導(dǎo)通。
1.判斷柵極G
MOS驅(qū)動(dòng)器主要起波形整形和加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)的作用：假如MOS管的G信號(hào)波形不夠陡峭，在點(diǎn)評(píng)切換階段會(huì)造成大量電能損耗其副作用是降低電路轉(zhuǎn)換效率，MOS管發(fā)燒嚴(yán)峻，易熱損壞MOS管GS間存在一定電容，假如G信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不夠，將嚴(yán)峻影響波形跳變的時(shí)間。
將G-S極短路，選擇萬(wàn)用表的R×1檔，黑表筆接S極，紅表筆接D極，阻值應(yīng)為幾歐至十幾歐。若發(fā)現(xiàn)某腳與其字兩腳的電阻均呈無(wú)限大，并且交換表筆后仍為無(wú)限大，則證實(shí)此腳為G極，由于它和另外兩個(gè)管腳是絕緣的。
2.判斷源極S、漏極D
將萬(wàn)用表?yè)苤罵×1k檔分別丈量三個(gè)管腳之間的電阻。用交換表筆法測(cè)兩次電阻，其中電阻值較低（一般為幾千歐至十幾千歐）的一次為正向電阻，此時(shí)黑表筆的是S極，紅表筆接D極。因?yàn)闇y(cè)試前提不同，測(cè)出的RDS（on）值比手冊(cè)中給出的典型值要高一些。
3.丈量漏-源通態(tài)電阻RDS（on）
在源-漏之間有一個(gè)PN結(jié)，因此根據(jù)PN結(jié)正、反向電阻存在差異，可識(shí)別S極與D極。例如用500型萬(wàn)用表R×1檔實(shí)測(cè)一只IRFPC50型VMOS管，RDS（on）=3.2W，大于0.58W（典型值）。
測(cè)試步驟：
MOS管的檢測(cè)主要是判斷MOS管漏電、短路、斷路、放大。
其步驟如下：
假如有阻值沒(méi)被測(cè)MOS管有漏電現(xiàn)象。
1、把連接?xùn)艠O和源極的電阻移開(kāi)，萬(wàn)用表紅黑筆不變，假如移開(kāi)電阻后表針慢慢逐步退回到高阻或無(wú)限大，則MOS管漏電，不變則完好
2、然后一根導(dǎo)線把MOS管的柵極和源極連接起來(lái)，假如指針立刻返回?zé)o限大，則MOS完好。
3、把紅筆接到MOS的源極S上，黑筆接到MOS管的漏極上，好的表針指示應(yīng)該是無(wú)限大。
4、用一只100KΩ－200KΩ的電阻連在柵極和漏極上，然后把紅筆接到MOS的源極S上，黑筆接到MOS管的漏極上，這時(shí)表針指示的值一般是0，這時(shí)是下電荷通過(guò)這個(gè)電阻對(duì)MOS管的柵極充電，產(chǎn)生柵極電場(chǎng)，因?yàn)殡妶?chǎng)產(chǎn)生導(dǎo)致導(dǎo)電溝道致使漏極和源極導(dǎo)通，故萬(wàn)用表指針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度大，放電性越好。
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