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MOS管工作原理是什么?

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  • 发表于:2021-07-20 09:47 分享至:

    MOS管概述

    场效应晶体管(FET),将输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET 的增益等于其跨导,定义为输出电流变化与输入电压变化之比。市场上常见的有 N 沟道和 P 沟道。详情请参考右图(P沟道耗尽型MOS管)。公共P沟道为低压mos管。
    场效应管将一个个电场投射在绝缘层上,以影响流过晶体管的电流。事实上,没有电流流过这个绝缘体,所以 FET 的 GATE 电流非常小。最常见的 FET 使用薄层二氧化硅来作为栅极绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管,或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。由于 MOS 管更小、更节能,因此在许多应用中已取代双极晶体管。
    由于MOS管的G极电流很小,所以有时也称MOS管为绝缘栅场效应管。

    MOS管性能

    MOS管输入阻抗高,噪声低,热稳定性好;制造工艺简单,辐射强,所以通常用于放大电路或开关电路。

    MOS管管脚及常见封装标识





     

    MOS管导通条件

    看下面的N型MOS管图(左),当栅源电压Vgs=0时,即使加上漏源电压Vds,总有一个PN结处于反向偏置状态,没有导通漏极和源极之间的通道(没有电流流动),因此漏极极性电流 ID = 0。
    如果此时在栅极和源极之间施加正向电压,如下图(左)所示,即Vgs>0,则在栅极与源极之间的SiO2绝缘层中产生指向P型的栅极。栅极和硅衬底 硅衬底的电场,因为氧化层是绝缘的,所以加在栅极上的电压Vgs不能形成电流,在氧化层的两侧形成电容。Vgs 相当于给这个电容充电并形成电场。随着Vgs逐渐增大,被栅极的正电压吸引,大量电子聚集在电容的另一侧,从漏极到源极形成N型导电沟道。当Vgs大于管的导通电压VT(一般为2V左右)时,控制栅极电压Vgs的大小改变电场强度,可以达到控制漏极电流ID大小的目的。这也是MOS管利用电场控制电流的一个重要特点,所以又称为场效应管。(下图中红色箭头是当前Id的方向,N和P的方向是相反的,注意哈,有时候会混淆!哈哈)
    对于P型MOS管(图右侧),原理正好相反。当 Vgs<-2V 时,开始导通。随着电压升高,被栅极的负电压吸引,大量会聚集在栅极的另一侧,从源极到漏极的正电荷将形成P型导电沟道。
    综上所述:
    N型MOS管在Vgs>2V时开始导通,最大电压(一般技术文件中会给出数值)>Vgs>9V完全导通)
    对于P型MOS管,Vgs<-2V开始开启,最小电压(一般技术文件会给出数值)<Vgs<-9V 完全开启)
    注:里面的Vgs小于负值。说白了就是Vsg大于正值。为便于统一,指定栅源电压Vgs。

     
     

    加强对MOS管的认识

     
    结合上图和之前的常识点,大家将MOS管的常识划分成九个问题分类点来进行深入了解。
    第一个MOS管问题分类:如何进行MOS管p/n型的划分?
    从MOS管结构示意图大家可以看出,p型中间一个窄长条就是沟道,使得左右两块P型极连在一起,mos管导通后是电阻特性,因此它的一个重要参数就是导通电阻,选用mos管必须清楚这个参数是否符合需求,同理,n型MOS也可以将上图理解成为n型即可;
     
    第二个MOS管问题分类:如何区分MOS管的源极和漏极?
    MOS管结构示意图中,大家可以看出左右是对称的,难免会有人问怎么区分源极和漏极呢?其实原理上,源极和漏极确实是对称的,是不区分的。但在实际应用中,厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管,起保护作用,正是这个二极管决定了源极和漏极,这样,封装也就固定了,便于实用;

    第三个MOS管问题分类:什么是增强型MOS管?
    增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通,由上图可以看出,栅极电压越低,则p型源、漏极的正离子就越靠近中间,n衬底的负离子就越远离栅极,栅极电压达到一个值,叫阀值或坎压时,由p型游离出来的正离子连在一起,形成通道,就是图示效果。因此,容易理解,栅极电压必须低到一定程度才能导通,电压越低,通道越厚,导通电阻越小。由于电场的强度与距离平方成正比,因此,电场强到一定程度之后,电压下降引起的沟道加厚就不明显了,也是因为n型负离子的“退让”是越来越难的。耗尽型的是事先做出一个导通层,用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通。但这种管子一般不生产,在市面基本见不到。所以,大家平时说mos管,就默认是增强型的。
     
    第四个MOS管问题分类:mos管中的金属氧化物膜是什么东西?
    mos管结构示意图中标出的金属氧化物膜位于上边部位,这个膜是绝缘的,用来电气隔离,使得栅极只能形成电场,不能通过直流电,因此是用电压控制的。在直流电气上,栅极和源漏极是断路。不难理解,这个膜越薄:电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是:越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵。例如导通电阻在欧姆级的,1角人民币左右买一个,而2402等在十毫欧级的,要2元多(批量买。零售是4元左右)。
     
    第五个MOS管问题分类:MOS管的寄生电容是什么?
    MOS管结构示意图中的栅极通过金属氧化物与衬底形成一个电容,越是高品质的mos,膜越薄,寄生电容越大,经常mos管的寄生电容达到nF级。这个参数是mos管选择时至关重要的参数之一,必须考虑清楚。Mos管用于控制大电流通断,经常被要求数十K乃至数M的开关频率,在这种用途中,栅极信号具有交流特征,频率越高,交流成分越大,寄生电容就能通过交流电流的形式通过电流,形成栅极电流。消耗的电能、产生的热量不可忽视,甚至成为主要问题。为了追求高速,需要强大的栅极驱动,也是这个道理。试想,弱驱动信号瞬间变为高电平,但是为了“灌满”寄生电容需要时间,就会产生上升沿变缓,对开关频率形成重大威胁直至不能工作。


    第六个MOS管问题分类:MOS管如何工作在放大区?
    Mos管也能工作在放大区,而且很常见。做镜像电流源、运放、反馈控制等,都是利用mos管工作在放大区,由于mos管的特性,当沟道处于似通非通时,栅极电压直接影响沟道的导电能力,呈现一定的线性关系。由于栅极与源漏隔离,因此其输入阻抗可视为无穷大,当然,随频率增加阻抗就越来越小,一定频率时,就变得不可忽视。这个高阻抗特点被广泛用于运放,运放分析的虚连、虚断两个重要原则就是基于这个特点。这是三极管不可比拟的。


    第七个MOS管问题分类:MOS管发热原因是什么?
    Mos管发热,主要原因之一是寄生电容在频繁开启关闭时,显现交流特性而具有阻抗,形成电流。有电流就有发热,并非电场型的就没有电流。另一个原因是当栅极电压爬升缓慢时,导通状态要“路过”一个由关闭到导通的临界点,这时,导通电阻很大,发热比较利害。第三个原因是导通后,沟道有电阻,过主电流,形成发热。主要考虑的发热是第1和第3点。许多mos管具有结温过高保护,所谓结温就是金属氧化膜下面的沟道区域温度,一般是150摄氏度。超过此温度,mos管不可能导通。温度下降就恢复。要注意这种保护状态的后果。
     
    第八个MOS管问题分类:MOS管理论图与实物有什么区别?
    MOS管结构示意图仅仅是原理性的,实际的元件增加了源-漏之间跨接的保护二极管,从而区分了源极和漏极。实际的元件,p型的,衬底是接正电源的,使得栅极预先成为相对负电压,因此p型的管子,栅极不用加负电压了,接地就能保证导通。相当于预先形成了不能导通的沟道,严格讲应该是耗尽型了。好处是明显的,应用时抛开了负电压。
     
    第九个MOS管问题分类:MOS管的应用包含哪些?
    1:p型mos管应用
    一般用于管理电源的通断,属于无触点开关,栅极低电平就完全导通,高电平就完全截止。而且,栅极可以加高过电源的电压,意味着可以用5v信号管理3v电源的开关,这个原理也用于电平转换。
    2:n型mos管应用
    一般用于管理某电路是否接地,属于无触点开关,栅极高电平就导通导致接地,低电平截止。当然栅极也可以用负电压截止,但这个好处没什么意义。其高电平可以高过被控制部分的电源,因为栅极是隔离的。因此可以用5v信号控制3v系统的某处是否接地,这个原理也用于电平转换。
    3:MOS管放大区应用
    工作于放大区,一般用来设计反馈电路,需要的专业常识比较多,类似运放,这里无法细说。常用做镜像电流源、电流反馈、电压反馈等。至于运放的集成应用,大家其实不用关注。人家都做好了,看好datasheet就可以了,不用按mos管方式去考虑导通电阻和寄生电容。
     
    第十个MOS管问题分类::MOS管基本应用在哪些产品?
    现在的高清、液晶、等离子电视机中开关电源部分除了采用了PFC技术外,在元器件上的开关管均采用性能优异的MOS管取代过去的大功率晶体三极管,使整机的效率、可靠性、故障率均大幅的下降。由于MOS管和大功率晶体三极管在结构、特性有着本质上的区别,在应用上;驱动电路也比晶体三极管复杂,致使维修人员对电路、故障的分析倍感困难,此文即针对这一问题,把MOS管及其应用电路作简单先容,以满足维修人员需求。
    通过上述十个于MOS管的常识解答,相信大家对MOS管已经有一定的认知,更多MOS管详情,请关注合科泰MOS百科,上文部分内容采用网络整理,如有侵权行为,请及时联系管理员删除;
    先看一下MOS管的内部结构和内部结构在导通状态下的状态(下图很P型,上图写的是N型,PS:下面只有一张图,我不会画,会一点点!哈哈哈)
    同上(MOS管导通图相同)
    如上所述,当MOS导通时,栅氧化层两侧会形成电容,氧化层应该像板一样。这会阻碍MO管在高频下的开启响应时间,因为MOS管的电压开启源极和漏极,而电容是容性元件,会减缓电压突变。频率高的时候,MOS管会出现异常,但是我满足不了,哈哈!

    问题?

    1. 如何区分MOS管的源漏?

    在MOS管结构示意图中,大家可以看到左右对称。难免有人会问源漏怎么区分?事实上,原则上,源漏确实是对称的,无法区分的。但是,在实际应用中,厂家一般会在源漏之间接一个二极管来保护。正是这个二极管决定了源极和漏极。这样,包装固定,方便实际使用。
     
    2. 什么是增强型MOS管?

    增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来开启的,从上图可以看出,栅极电压越低,p型源漏正离子离中间越近,而n衬底的负离子离栅极越远,栅极电压达到一个称为阈值或压力的情况下,p型释放的正离子连接在一起形成通道。因此,很容易理解,栅极电压必须低到一定程度才能导通。电压越低,沟道越厚,导通电阻越低。因为电场强度与距离的平方成正比,电场强到一定程度后,压降引起的沟道增厚并不明显,也是因为n的“让步” -型负离子越来越难。耗尽型是预先制作导电层,利用栅极加厚或减薄来控制源漏的导通。但是,这种管材一般不生产,市场上基本买不到。所以,大家通常都说mos管默认是增强型的。
     
    3. MOS管的金属氧化物是什么?

    MOS管结构示意图中标注的金属氧化膜位于上侧。这种薄膜是绝缘的,用于电隔离,使栅极只能形成电场,不能通过直流电,所以是受电压控制的。在直流电中,栅极和源极和漏极是开路的。薄膜越薄不难理解:电场效应越好,势垒电压越小,相同栅压下的导通能力越强。缺点是:越容易分解,制作难度越大,价格越贵。
     
    4. MOS管的寄生电容是多少?

    MOS管结构图中的栅极通过金属氧化物与衬底形成电容,mos质量越高,薄膜越薄,寄生电容越大。通常mos管的寄生电容达到nF级。这个参数是mos管选型中最重要的参数之一,一定要考虑清楚。MOS管用于控制大电流的通断,往往需要几十K甚至几M的开关频率。在这种应用中,栅极信号具有交流特性。频率越高,交流分量越大,寄生电容可以以交流电流的形式通过电流,形成栅极电流。消耗的电能和产生的热量不可忽视,甚至成为主要问题。为了追求高速,需要强大的栅极驱动,这也是原因。想象一下,微弱的驱动信号瞬间变成高电平,但“填满”寄生电容需要时间,这会导致上升沿变慢,对开关频率构成重大威胁,直到无法工作。
     
    5. MOS管在放大区是如何工作的?

    MOS管也可以工作在变焦区,很常见。镜像电流源、运放、反馈控制等,均采用MOS管工作在放大区。由于mos管的特性,当沟道处于不通过或不通过状态时,栅极电压直接影响沟道的电导率,呈一定的线性关系。由于栅极与源漏隔离,其输入阻抗可视为无穷大。当然,阻抗会随着频率的增加而变得越来越小。在一定的频率下,它变得无法忽视。这种高阻抗特性广泛用于运算放大器。运放分析中的虚连接和虚断两个重要原则就是基于这个特性。这是三极管无法比拟的。
     
    6. MOS管发热的原因是什么?

    MOS管发热,主要原因之一是寄生电容表现出交流特性,在频繁开关时具有阻抗,形成电流。有电流就有热量,电场型没有电流。另一个原因当栅极电压缓慢攀升时,导通状态必须从关到导“经过”一个临界点。这时导通电阻很大,发热比较严重。第三个原因导通后,通道有电阻,主电流流过发热。发热的主要考虑是第1点和第3点。很多MOS管都有防止结温过高的保护。所谓结温就是金属氧化膜下沟道区的温度,一般为150摄氏度。高于此温度,MOS管无法导通。温度下降并恢复。注意这种保护状态的后果。
     
    7. MOS管理理论和实物有什么区别?

    MOS管结构示意图只是一个原理。实际元件在源漏两端加了一个保护二极管,以区分源漏。实际元件为p型,基板接正电源,使栅极提前变成相对负电压,所以p型管,栅极不需要加负电压,接地可以保证导通。相当于提前形成了无法开启的通道,严格来说应该是耗尽模式。除了施加的负电压外,好处是显而易见的。
     
    8. MOS管的应用有哪些?

    P型MOS管应用
    一般用于管理电源的通断。它是一种非接触式开关。门极低电平完全导通,高电平完全关断。而且,栅极可以将电压提高到高于电??源的电压,这意味着可以使用5v信号来管理3v电源的开关。这个原理也用于电平转换。
    N型MOS管应用
    一般用于管理电路是否接地。它是一种非接触式开关。门极高电平导通引起接地,低电平关断。当然,栅极也可以用负电压切断,但这种好处是没有意义的。它的高电平可以高于受控部分的电源,因为栅极是隔离的。所以你可以用5v信号来控制3v系统中的某个地方是否接地。这个原理也用于电平转换。
    MOS管放大领域应用
    作用于放大领域,一般用于设计反馈电路。它需要更多的专业常识,类似于运算放大器,这里无法详细说明。常用作镜像电流源、电流反馈、电压反馈等。至于运放的综合应用,大家就不用关注了。大家都搞定了,看数据表就可以了,不用考虑MOS管的导通电阻和寄生电容。
     
    9. MOS管主要用于哪些产品?

    除了PFC技术,现在的高清、液晶、等离子电视机的开关电源部分,都采用了性能优异的MOS管来替代以往的大功率晶体。晶体管大大降低了整机的效率、可靠性和故障率。因为MOS管和大功率管的结构和特性在应用上有着本质的不同;驱动电路也比晶体管复杂,维修人员很难分析电路和故障。本文就是针对这个问题,简单先容一下MOS管及其应用电路,以满足维修人员的需要!
     

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