場(chǎng)效應(yīng)mos管結(jié)構(gòu)與原理圖詳解-mos管發(fā)熱原因、驅(qū)動(dòng)等分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-12-24
場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。主要有兩種類型（junction FET—JFET)和金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（metal-oxide semiconductor FET，簡(jiǎn)稱MOS-FET）。由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（107～1015Ω）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。
場(chǎng)效應(yīng)管（FET）是利用控制輸入回路的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件，并以此命名。
由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。FET 英文為Field Effect Transistor，簡(jiǎn)寫成FET。
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。
N溝道MOS管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)
場(chǎng)效應(yīng)mos管三極管分為：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。
場(chǎng)效應(yīng)mos管N溝道增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，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。
場(chǎng)效應(yīng)mos管，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：
場(chǎng)效應(yīng)mos管工作原理
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。
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。
導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。
通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，損失也越大。導(dǎo)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(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度。
在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)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(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
上邊說(shuō)的4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，設(shè)計(jì)時(shí)當(dāng)然需要有一定的余量。而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。現(xiàn)在也有導(dǎo)通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。
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