想要全面了解要MOS管 看這個(gè)就夠了（上）

MOS管學(xué)名是場效應(yīng)管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(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單描述。

其結(jié)構(gòu)示意圖：

解釋1：溝道

上面圖中，下邊的p型中間一個(gè)窄長條就是溝道，使得左右兩塊P型極連在一起，因此mos管導(dǎo)通后是電阻特性，因此它的一個(gè)重要參數(shù)就是導(dǎo)通電阻，選用mos管必須清楚這個(gè)參數(shù)是否符合需求。

解釋2：n型

上圖表示的是p型mos管，讀者可以依據(jù)此圖理解n型的，都是反過來即可。因此，不難理解，n型的如圖在柵極加正壓會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通，而p型的相反。

解釋3：增強(qiáng)型

相對于耗盡型，增強(qiáng)型是通過“加厚”導(dǎo)電溝道的厚度來導(dǎo)通，如圖。柵極電壓越低，則p型源、漏極的正離子就越靠近中間，n襯底的負(fù)離子就越遠(yuǎn)離柵極，柵極電壓達(dá)到一個(gè)值，叫閥值或坎壓時(shí)，由p型游離出來的正離子連在一起，形成通道，就是圖示效果。因此，容易理解，柵極電壓必須低到一定程度才能導(dǎo)通，電壓越低，通道越厚，導(dǎo)通電阻越小。

由于電場的強(qiáng)度與距離平方成正比，因此，電場強(qiáng)到一定程度之后，電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了，也是因?yàn)閚型負(fù)離子的“退讓”是越來越難的。耗盡型的是事先做出一個(gè)導(dǎo)通層，用柵極來加厚或者減薄來控制源漏的導(dǎo)通。但這種管子一般不生產(chǎn)，在市面基本見不到。所以，大家平時(shí)說mos管，就默認(rèn)是增強(qiáng)型的。

解釋4：左右對稱

圖示左右是對稱的，難免會(huì)有人問怎么區(qū)分源極和漏極呢？其實(shí)原理上，源極和漏極確實(shí)是對稱的，是不區(qū)分的。但在實(shí)際應(yīng)用中，廠家一般在源極和漏極之間連接一個(gè)二極管，起保護(hù)作用，正是這個(gè)二極管決定了源極和漏極，這樣，封裝也就固定了，便于實(shí)用。我的老師年輕時(shí)用過不帶二極管的mos管。非常容易被靜電擊穿，平時(shí)要放在鐵質(zhì)罐子里，它的源極和漏極就是隨便接。

解釋5：金屬氧化物膜

圖中有指示，這個(gè)膜是絕緣的，用來電氣隔離，使得柵極只能形成電場，不能通過直流電，因此是用電壓控制的。在直流電氣上，柵極和源漏極是斷路。不難理解，這個(gè)膜越?。弘妶鲎饔迷胶谩⒖矇涸叫　⑾嗤瑬艠O電壓時(shí)導(dǎo)通能力越強(qiáng)。壞處是：越容易擊穿、工藝制作難度越大而價(jià)格越貴。例如導(dǎo)通電阻在歐姆級(jí)的，1角人民幣左右買一個(gè)，而2402等在十毫歐級(jí)的，要2元多（批量買。零售是4元左右）。

解釋6：與實(shí)物的區(qū)別

上圖僅僅是原理性的，實(shí)際的元件增加了源-漏之間跨接的保護(hù)二極管，從而區(qū)分了源極和漏極。實(shí)際的元件，p型的，襯底是接正電源的，使得柵極預(yù)先成為相對負(fù)電壓，因此p型的管子，柵極不用加負(fù)電壓了，接地就能保證導(dǎo)通。相當(dāng)于預(yù)先形成了不能導(dǎo)通的溝道，嚴(yán)格講應(yīng)該是耗盡型了。好處是明顯的，應(yīng)用時(shí)拋開了負(fù)電壓。

解釋7：寄生電容

上圖的柵極通過金屬氧化物與襯底形成一個(gè)電容，越是高品質(zhì)的mos，膜越薄，寄生電容越大，經(jīng)常mos管的寄生電容達(dá)到nF級(jí)。這個(gè)參數(shù)是mos管選擇時(shí)至關(guān)重要的參數(shù)之一，必須考慮清楚。Mos管用于控制大電流通斷，經(jīng)常被要求數(shù)十K乃至數(shù)M的開關(guān)頻率，在這種用途中，柵極信號(hào)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(chǎn)生的熱量不可忽視，甚至成為主要問題。為了追求高速，需要強(qiáng)大的柵極驅(qū)動(dòng)，也是這個(gè)道理。試想，弱驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間變?yōu)楦唠娖?，但是為了“灌滿”寄生電容需要時(shí)間，就會(huì)產(chǎn)生上升沿變緩，對開關(guān)頻率形成重大威脅直至不能工作。

解釋8：如何工作在放大區(qū)

Mos管也能工作在放大區(qū)，而且很常見。做鏡像電流源、運(yùn)放、反饋控制等，都是利用mos管工作在放大區(qū)，由于mos管的特性，當(dāng)溝道處于似通非通時(shí)，柵極電壓直接影響溝道的導(dǎo)電能力，呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。由于柵極與源漏隔離，因此其輸入阻抗可視為無窮大，當(dāng)然，隨頻率增加阻抗就越來越小，一定頻率時(shí)，就變得不可忽視。這個(gè)高阻抗特點(diǎn)被廣泛用于運(yùn)放，運(yùn)放分析的虛連、虛斷兩個(gè)重要原則就是基于這個(gè)特點(diǎn)。這是三極管不可比擬的。

解釋9：發(fā)熱原因

Mos管發(fā)熱，主要原因之一是寄生電容在頻繁開啟關(guān)閉時(shí)，顯現(xiàn)交流特性而具有阻抗，形成電流。有電流就有發(fā)熱，并非電場型的就沒有電流。另一個(gè)原因是當(dāng)柵極電壓爬升緩慢時(shí)，導(dǎo)通狀態(tài)要“路過”一個(gè)由關(guān)閉到導(dǎo)通的臨界點(diǎn)，這時(shí)，導(dǎo)通電阻很大，發(fā)熱比較厲害。第三個(gè)原因是導(dǎo)通后，溝道有電阻，過主電流，形成發(fā)熱。主要考慮的發(fā)熱是第1和第3點(diǎn)。許多mos管具有結(jié)溫過高保護(hù)，所謂結(jié)溫就是金屬氧化膜下面的溝道區(qū)域溫度，一般是150攝氏度。超過此溫度，mos管不可能導(dǎo)通。溫度下降就恢復(fù)。要注意這種保護(hù)狀態(tài)的后果。

但愿上述描述能通俗的理解mos管，下面說說幾個(gè)約定俗成電路：

1：pmos應(yīng)用

一般用于管理電源的通斷，屬于無觸點(diǎn)開關(guān)，柵極低電平就完全導(dǎo)通，高電平就完全截止。而且，柵極可以加高過電源的電壓，意味著可以用5v信號(hào)管理3v電源的開關(guān)，這個(gè)原理也用于電平轉(zhuǎn)換。

2：nmos管應(yīng)用

一般用于管理某電路是否接地，屬于無觸點(diǎn)開關(guān)，柵極高電平就導(dǎo)通導(dǎo)致接地，低電平截止。當(dāng)然柵極也可以用負(fù)電壓截止，但這個(gè)好處沒什么意義。其高電平可以高過被控制部分的電源，因?yàn)闁艠O是隔離的。因此可以用5v信號(hào)控制3v系統(tǒng)的某處是否接地，這個(gè)原理也用于電平轉(zhuǎn)換。

3：放大區(qū)應(yīng)用

工作于放大區(qū)，一般用來設(shè)計(jì)反饋電路，需要的專業(yè)知識(shí)比較多，類似運(yùn)放，這里無法細(xì)說。常用做鏡像電流源、電流反饋、電壓反饋等。至于運(yùn)放的集成應(yīng)用，我們其實(shí)不用關(guān)注。人家都做好了，看好datasheet就可以了，不用按mos管方式去考慮導(dǎo)通電阻和寄生電容。

03MOS管的基本知識(shí)

現(xiàn)在的高清、液晶、等離子電視機(jī)中開關(guān)電源部分除了采用了PFC技術(shù)外，在元器件上的開關(guān)管均采用性能優(yōu)異的MOS管取代過去的大功率晶體三極管，使整機(jī)的效率、可靠性、故障率均大幅的下降。由于MOS管和大功率晶體三極管在結(jié)構(gòu)、特性有著本質(zhì)上的區(qū)別，在應(yīng)用上；驅(qū)動(dòng)電路也比晶體三極管復(fù)雜，致使維修人員對電路、故障的分析倍感困難，此文即針對這一問題，把MOS管及其應(yīng)用電路作簡單介紹，以滿足維修人員需求。

一、什么是MOS管

MOS管的英文全稱叫MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），即金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，屬于場效應(yīng)管中的絕緣柵型。因此，MOS管有時(shí)被稱為絕緣柵場效應(yīng)管。在一般電子電路中，MOS管通常被用于放大電路或開關(guān)電路。

1、MOS管的構(gòu)造；

在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（Si02）絕緣層膜，在再這個(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道（NPN型）增強(qiáng)型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。圖1-1所示 A 、B分別是它的結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。

同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過程，就制成為一個(gè)P溝道（PNP型）增強(qiáng)型MOS管。圖1-2所示A 、B分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號(hào)。

圖1 -1-A 圖1 -1-B

圖1-2-A 圖1-2-B

2、MOS管的工作原理：圖1-3是N溝道MOS管工作原理圖；

圖1-3-A

圖1-3-B

從圖1-3-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，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道（沒有電流流過），所以這時(shí)漏極電流ID=0。

此時(shí)若在柵-源極間加上正向電壓，圖1-3-B所示，即VGS＞0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個(gè)電容，VGS等效是對這個(gè)電容充電，并形成一個(gè)電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個(gè)電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道。

當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT（一般約為 2V）時(shí)，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示。控制柵極電壓VGS的大小改變了電場的強(qiáng)弱，就可以達(dá)到控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個(gè)重要特點(diǎn)，所以也稱之為場效應(yīng)管。

3、MOS管的特性；

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。

4、MOS管的電壓極性和符號(hào)規(guī)則；

圖1-4-A 是N溝道MOS管的符號(hào)，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是P溝道的MOS管。

在實(shí)際MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號(hào)的規(guī)則中；表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區(qū)別漏極和源極。圖1-5-A是P溝道MOS管的符號(hào)。

MOS管應(yīng)用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負(fù)極，柵極G正電壓時(shí)導(dǎo)電溝道建立，N溝道MOS管開始工作，如圖1-4-B所示。同樣P道的類似PNP晶體三極管，漏極D接負(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時(shí)，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開始工作，如圖1-5-B所示。

圖1-4-A N溝道MOS管符號(hào)

圖1-4-B N溝道MOS管電壓極性及襯底連接

圖1-5-A P溝道MOS管符號(hào)

圖1-5-B P溝道MOS管電壓極性及襯底連接

5、MOS管和晶體三極管相比的重要特性；

1）．場效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似，圖1-6-A所示是N溝道MOS管和NPN型晶體三極管引腳，圖1-6-B所示是P溝道MOS管和PNP型晶體三極管引腳對應(yīng)圖。

圖1-6-A 圖1-6-B

2）．場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制ID，普通的晶體三極管是電流控制電流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系數(shù)是（跨導(dǎo)gm）當(dāng)柵極電壓改變一伏時(shí)能引起漏極電流變化多少安培。晶體三極管是電流放大系數(shù)（貝塔β）當(dāng)基極電流改變一毫安時(shí)能引起集電極電流變化多少。

3）．場效應(yīng)管柵極和其它電極是絕緣的，不產(chǎn)生電流；而三極管工作時(shí)基極電流IB決定集電極電流IC。因此場效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高的多。

4）．場效應(yīng)管只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電；三極管有多數(shù)載流子和少數(shù)載流子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少數(shù)載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好。

5）．場效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時(shí)，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大，而三極管的集電極與發(fā)射極互換使用時(shí)，其特性差異很大，b 值將減小很多。

6）．場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路中要選用場效應(yīng)管。

7）．場效應(yīng)管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但是場效應(yīng)管制造工藝簡單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優(yōu)秀特性，在各種電路及應(yīng)用中正逐步的取代普通晶體三極管，目前的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中，已經(jīng)廣泛的采用場效應(yīng)管。

6、在開關(guān)電源電路中；大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優(yōu)點(diǎn)；

1）、輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率?。河捎跂旁粗g是二氧化硅（SiO2）絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達(dá)100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。由于輸入阻抗高，對激勵(lì)信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)功率極?。`敏度高）。一般的晶體三極管必需有基極電壓Vb，再產(chǎn)生基極電流Ib，才能驅(qū)動(dòng)集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動(dòng)是需要功率的（Vb×Ib）。

2）、開關(guān)速度快：MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系，由于輸入容性特性的存在，使開關(guān)的速度變慢，但是在作為開關(guān)運(yùn)用時(shí)，可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻，加快開關(guān)速度（輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動(dòng)，加快了容性的充放電的時(shí)間）。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時(shí)間在10—100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開關(guān)速度的提高（目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以輕易的做到100K/S～150K/S，這對于普通的大功率晶體三極管來說是難以想象的）。

3）、無二次擊穿；由于普通的功率晶體三極管具有當(dāng)溫度上升就會(huì)導(dǎo)致集電極電流上升（正的溫度～電流特性）的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會(huì)導(dǎo)致溫度進(jìn)一步的上升，溫度進(jìn)一步的上升，更進(jìn)一步的導(dǎo)致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步下降，這就形成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)下降最終導(dǎo)致晶體三極管的擊穿，這是一種導(dǎo)致電視機(jī)開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破環(huán)性的熱電擊穿現(xiàn)象，也稱為二次擊穿現(xiàn)象。

MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當(dāng)管溫度（或環(huán)境溫度）上升時(shí)，溝道電流IDS反而下降。例如；一只IDS=10A的MOS FET開關(guān)管，當(dāng)VGS控制電壓不變時(shí)，在250C溫度下IDS=3A，當(dāng)芯片溫度升高為1000C時(shí)，IDS降低到2A，這種因溫度上升而導(dǎo)致溝道電流IDS下降的負(fù)溫度電流特性，使之不會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，可見采用MOS管作為開關(guān)管，其開關(guān)管的損壞率大幅度的降低，近兩年電視機(jī)開關(guān)電源采用MOS管代替過去的普通晶體三極管后，開關(guān)管損壞率大大降低也是一個(gè)極好的證明。

4）、MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性；

普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通是，幾乎是直通，有一個(gè)極低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個(gè)壓降，那么也就是；普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)等效的電阻是一個(gè)非線性的電阻（電阻上的電壓和流過的電流不能符合歐姆定律），而MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)電阻等效一個(gè)線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流符合歐姆定律的關(guān)系，電流大壓降就大，電流小壓降就小，導(dǎo)通后既然等效是一個(gè)線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當(dāng)這樣兩個(gè)電阻并聯(lián)在一起，就有一個(gè)自動(dòng)電流平衡的作用，所以MOS管在一個(gè)管子功率不夠的時(shí)候，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不必另外增加平衡措施（非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的）。

MOS管和普通的晶體三極管相比，有以上四項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，就足以使MOS管在開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)下完全取代普通的晶體三極管。目前的技術(shù)MOS管道VDS能做到1000V，只能作為開關(guān)電源的開關(guān)管應(yīng)用，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，VDS的不斷提高，取代顯像管電視機(jī)的行輸出管也是近期能實(shí)現(xiàn)的。

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