nmos和pmos導通條件-詳解nmos和pmos導通電路圖及區別-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-06-08
NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思為N型金屬-氧化物-半導體，而擁有這種結構的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。 MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構成的集成電路稱為MOS集成電路，由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路，由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路，由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補MOS電路，即CMOS電路。
PMOS是指n型襯底、p溝道，靠空穴的流動運送電流的MOS管。
P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低，因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對值一般偏高，要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性，與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過程長，加之器件跨導小，所以工作速度更低，在NMOS電路（見N溝道金屬—氧化物—半導體集成電路）出現之后，多數已為NMOS電路所取代。只是，因PMOS電路工藝簡單，價格便宜，有些中規模和小規模數字控制電路仍采用PMOS電路技術。
在實際項目中，我們基本都用增強型mos管，分為N溝道和P溝道兩種。我們常用的是NMOS，因為其導通電阻小，且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅動感性負載（如馬達），這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒有的。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅動中，通常還是使用NMOS。
不管是NMOS還是PMOS，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。 MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越高，損失也越大。 導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。
跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。 在MOS管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅動器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅動MOS管。
MOS與NMOS兩種增強型場效應管的開關電路作了詳細的介紹， 并且還提到過一種廣為流傳的說法：相對于NMOS管，PMOS管的溝道導通電阻更大、速度更慢、成本更高等，還是從頭講起吧！
如果讀者有一定的電子技術應用經驗的話，對NMOS管開關電路的使用場合肯定是如數家珍，幾乎所有的開關電源拓撲都偏向于使用NMOS管（而不是PMOS管），如正激、反激、推挽、半橋、全橋等拓撲，NMOS管的應用電路案例真心不要太多。
可以看看國際整流器MOS管的分類，如下圖所示：
除兩個圈所標注的內容是PMOS管外，其它都是NMOS管，并且NMOS管在電壓檔次上比PMOS管要細分得多，從側面可以說明NMOS管的應用場合比PMOS要大得多（因為應用多，所以需求多，繼而型號多），如果你粗略地統計一下PMOS與NMOS型號的數量，NMOS管絕對獨占鰲頭。
有人說：應該是PMOS管在使用的時候控制電路太過復雜，與NMOS管的驅動比較，PMOS還需要額外的三極管，成本太高。那繼續往下看，如果讀者對電子技術足夠感興趣且好奇心總是不一般的話，應該對降壓型BUCK單片開關電源電路有一定的了解，那自然會遇到類似下圖所示的電路：
這是最常用的BUCK拓撲降壓芯片的典型應用電路，但是有些降壓芯片應用電路卻稍微有所不同，如下圖所示：
與LM2596S芯片相比多了一個BOOST（BST）引腳，一般在該引腳與SW之間串一個小電容，這是為什么呢？
有經驗的讀者可能會說：這種芯片是采用同步整流方案（關于同步整流可參考文章【開關電源（1）之BUCK變換器】，簡單的說，就是用MOS管來代替續流二極管，以達到降低損耗繼而提升轉換效率的目的），內部是用兩個NMOS管配合工作的，需要一個自舉升壓電路，所以才需要外接一個電容。該芯片開關管結構如下圖所示：
然而同步整流方案與使用NMOS管作為開關管之間沒有因果關系，換言之，就算是異步整流方案，芯片也會偏向于使用NMOS管，如下圖所示：
LM25011就是異步整流方案，該芯片的內部開關管的結構如下圖所示：
總之一句話：如果內部開關管使用場效應管，那大多數是NMOS管，而PMOS管用著少。
在文章《開關電源（1）之BUCK變換器》中詳細介紹了降壓型BUCK開關電源拓撲，并且還用下圖做了一次仿真：
用PMOS管來實現開關切換功能的電路是要多簡潔就多簡潔
同樣的現象也存在于BOOST變換器芯片中，BOOST單片升壓芯片典型應用電路如下圖所示：
同樣，有些升壓芯片多了一個BOOST/BST引腳，如下圖所示：
這里要說明一下：上圖中芯片外圍接有的PMOS管并不是必須的，因為BOOST拓撲由于其本身的特性，在芯片不工作時輸出是無法關閉的（輸出電壓略小于輸入電壓），這與BUCK拓撲不同，如果需要完全關閉電壓輸出，必須額外添加一個PMOS管開關電路，這就是我們在文章開關介紹的PMOS管電源開關控制電路。
該芯片的內部開關管的結構如下圖所示：
當然，異步整流升壓芯片就沒必要再弄個BST引腳了，因為NMOS管已經是比較理想的架構了，我們在文章《開關電源（2）之BOOST變換器》中也是用NMOS管來仿真的，如下圖所示：
前面提到過，PMOS管的導通電阻比NMOS管的導通電阻要大，我們可以找外部參數盡量相同的數據手冊來對比一下，如下圖所示：
在相同的工藝、耐壓等條件下，NMOS導通電阻為0.036W（W就是歐姆的意思，形狀很像符號Ω），而PMOS導通電阻要大得多，其值為0.117Ω，當然，這并不能作為PMOS管的導通電阻比NMOS要大的直接證據，然而事實上，在相同的工藝及尺寸面積條件下，PMOS管的導通電阻確實要比NMOS管要大，這樣PMOS開關管的導通損耗比NMOS要大。
將PMOS管應用場合比較少的原因歸結于P溝道導通電阻更大似乎是個比較理想的答案，然而我們還是不禁要問一下：為什么PMOS管的導通電阻比NMOS要大呢？這主要是源自于導通溝道在一個特性方面的差別：電子遷移率（Electron mobility）。
我們在文章《二極管》里講解PN結的時候，已經提到過P型半導體與N型半導體的由來，P型半導體就是在本征半導體中摻入3價的元素（如硼元素），其結構如下圖的所示：
在合理的范圍內摻入的雜質越多，則多數載流子空穴就更多，P型半導體的導電性也似乎將會變得更好。
相應的，N型半導體就是在本征半導體（純凈無摻雜的）中摻入5價的元素（如磷元素），其結構如下圖的所示：
同樣的，在合理范圍內摻入的雜質越多，則多數載流子電子就更多，N型半導體的導電性也因此似乎將會變得更好，而PMOS管或NMOS管的導通溝道就是P型或N型，這看起來兩者沒有太大的區別，只要控制摻入雜質的數量，就可以控制摻雜半導體的導電性，但實際上并非這么回事！因為半導體的導電性不僅與載流子（電子或空穴）濃度有關，還與載流子的遷移率（速度）有關。
我們從初中物理學就知道，導體之所以容易導電，是因為自由電子比較多，而絕緣體很難導電是因為自由電子比較少，半導體中的導電性也是類似的。
NMOS管是導電溝道是N型半導體，其多數載流子是電子，當半導體外部施加電場時，載流子電子將按下圖所示的遷移：
載流子電子在由A點到F點的運動過程中，不斷地與晶格原子或雜質離子發生碰撞，因此運動軌跡不是直線的，只有一個平均的遷移方向（細節可自行參考相關文檔），但有一點需要注意的是：載流子電子在遷移過程中不會進入共價鍵中，總是在圖所示的“空檔”移動，這些地方沒有共價鍵位置的束縛力，因此載流子電子的遷移率（速度）比較高。
在《半導體物理學》中，我們把自由電子存在的空間叫做導帶，而把共價鍵所在的空間叫做價帶，很明顯，價帶中有來自晶格原子（如硅、鍺）或雜質離子（如硼、磷）的束縛力，因此價帶（共價鍵）中的電子要跑出來就必須具備一定的能量（如光或熱），而電子在導帶中則不需要。
PMOS管是導電溝道是P型半導體，其多數載流子是空穴，當半導體外部施加電場時，載流子空穴將按下圖所示的遷移：
空穴移動可以看作是電子的反向移動，每一次空穴移動時，都可以看成是電子從導帶中跳入到價帶中（填充某個空穴），再從價帶中跳出來往相鄰的價帶中移動，很明顯，空穴遷移的速度是不如電子遷移速度的，因為電子一旦跳進價帶（共價鍵）中，就會受到共價鍵的束縛力，需要更多的能量激發才能跳出來。
你可以將這種遷移方式比作游泳，NMOS管相當于在水里游泳，而PMOS管相當于在油水相間的泳道中游泳，很明顯，在相同的條件下，在水里游泳的速度會更快一些，如下圖所示：
電子與空穴遷移率的差別表現之一在場效應管的開關速度上，我們在文章《邏輯門》中已經介紹過，CMOS反相器是由一個PMOS管與NMOS管來完成的，如下圖所示：
當輸入A=0時，輸出Y=1，當輸入A=1時，輸出Y=0，由于PMOS管（上側帶圈圈的）的空穴遷移率比NMOS管的電子遷移率要小，因此，在相同的尺寸條件下，輸出Y的上升速率比下降速率要慢，這樣帶來的結果是：開關損耗相應會比NMOS管大一些（關于“開關損耗”可參考文章【開關電源（1）之BUCK變換器】）。
當然，你可以做一個與NMOS管驅動能力相同的PMOS管，但需要的器件面積可能是NMOS管的2～3倍，這就是錢吶，而且器件面積會影響導通電阻、輸入輸出電容，而這些參數會影響電路的延遲。
同樣，在相同的尺寸條件下，PMOS管溝道導通電阻比NMOS要大一些，這樣開關導通損耗相應也會比NMOS管要大一些
正是因為遷移率的差別才有速度與溝道導通電阻的差別，才導致PMOS管的應用范圍受到限制，這樣PMOS的市場用量必然不如NMOS管，從工藝上來講，PMOS管與NMOS管的制造并無多大不同，但市場經濟的杠桿總是無處不在的，所以PMOS管比NMOS管貴很大一部分也是由市場決定的（材料成本低并不總意味著價格低），而不能簡單地認為：因為PMOS管與NMOS管貴，所以應用場合少。
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