MOS管簡介:PART–0基礎(chǔ)知識

PART– 0基礎(chǔ)知識

在講MOS管之前，我們來回憶一下半導(dǎo)體材料。如下圖：

做筆記：

N型半導(dǎo)體雜質(zhì)為P原子，多子為電子

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)為B原子，多子為空穴

由于雜質(zhì)半導(dǎo)體中有可自由移動的多子，當(dāng)N型半導(dǎo)體跟P型半導(dǎo)體相接觸，多子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動，自由電子與自由空穴復(fù)合形成空間電荷區(qū)，也就是我們常說的耗盡層。

再做個筆記：耗盡層中沒有自由移動的導(dǎo)電粒子。

PN結(jié)的結(jié)電容的充電過程，實(shí)際上可以近似地看做對耗盡層復(fù)合的自由帶電粒子進(jìn)行補(bǔ)充。

外加電壓：

當(dāng)PN結(jié)外接正偏電壓高于PN結(jié)兩端勢壘區(qū)的電壓時，耗盡層導(dǎo)電粒子補(bǔ)充完畢，可以跟正常雜質(zhì)半導(dǎo)體一樣具備導(dǎo)電能力，電路導(dǎo)通。

相反的，如果PN結(jié)外接反偏電壓，耗盡層擴(kuò)大，電路截止。

PART-1 MOS管結(jié)構(gòu)

下文開始介紹MOS管，以增強(qiáng)型N-MOSFET為例子進(jìn)行講解。

增強(qiáng)型N-MOSFET，全稱：N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管，在講解其結(jié)構(gòu)前，請讀者記住幾個關(guān)鍵詞：

①N溝道

②絕緣柵

③ 增強(qiáng)型

④ 體二極管

如模電書（童詩白，第四版）中我們熟悉的結(jié)構(gòu)示意圖所示，N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)可視為：

在P型半導(dǎo)體襯底上，制作兩個N型半導(dǎo)體區(qū)域并引兩個金屬電極，作為源極S與漏極D；并在P襯底上制作一層SiO2絕緣層，另外引一個金屬電極作為柵極G。

其結(jié)構(gòu)特征可解釋為以下幾點(diǎn)：

①由于N型半導(dǎo)體直接加在P型半導(dǎo)體襯底上，兩個N區(qū)與P區(qū)之間會形成耗盡層。

②由于柵極G是加在SiO2絕緣層上，與P型半導(dǎo)體襯底間并不導(dǎo)電，只有電場作用

③柵極G外加電場后，吸引P型半導(dǎo)體中的自由電子，同時填充耗盡層，形成反型層導(dǎo)電溝道，連接兩個N型半導(dǎo)體區(qū)域，使得增強(qiáng)型N-MOSFET導(dǎo)通。

④工藝上制作N-MOSFET時，將源極S與P型半導(dǎo)體襯底直接連接，源極S等同于P型半導(dǎo)體襯底，與漏極D的N型半導(dǎo)體區(qū)之間有一個PN結(jié)，該P(yáng)N結(jié)即為N-MOSFET的體二極管。

⑤如上圖所示，增強(qiáng)型N-MOSFET各電極之間各有一個寄生電容，其中源極S與漏極D之間的電容Cds為其輸出電容，結(jié)構(gòu)上為體二極管位置PN結(jié)的結(jié)電容；柵極G與S極、D極之間的寄生電容Cgd、Cgs之和為輸入電容，實(shí)質(zhì)上為形成反型層而吸引的電子（至于為何分為兩個電容，下文講解MOS管開關(guān)過程的時候繼續(xù)解釋）。

PART-2 MOS管導(dǎo)通過程

MOS管的導(dǎo)通過程，其實(shí)就是形成反型層導(dǎo)電溝道的過程。

重新看回這張圖，當(dāng)柵極G與源極S之間加一個正偏電壓Vgs時，增強(qiáng)型N-MOSFET的P型半導(dǎo)體襯底中的電子受電場作用，會被吸引到柵極附近，同時連接兩個N型半導(dǎo)體區(qū)域，形成反型層導(dǎo)電溝道。

！敲黑板！劃重點(diǎn)！

導(dǎo)電溝道剛剛形成的時候那個正偏電壓Vgs，稱為開啟電壓Vgs（th）（或稱為“閾值電壓”）；Vgs大于Vgs（th）的這一段電壓區(qū)間，稱為可變電阻區(qū)，MOS管漏極D到源極S的導(dǎo)通阻抗隨Vgs增大而降低；當(dāng)Vgs大于2×Vgs（th）之后，基本視為導(dǎo)通阻抗Rds-on降為最低，s且在溫度一致時保持不變，此時增強(qiáng)型N-MOSFET視為完全導(dǎo)通。如下圖

故設(shè)置開關(guān)MOS管驅(qū)動電壓時，一般設(shè)置為遠(yuǎn)大于2×Vgs（th）。

模電書中給了這么一組圖，闡述了當(dāng)Vgs大于開啟電壓時，Vds的增大對于流過MOS管的電流iD的影響。

實(shí)際上將圖序反過來，可以近似地模擬MOS管開啟過程反型層的行程過程：

MOS管導(dǎo)電過程可近似理解為：

①由于電場作用，先形成靠近源極S區(qū)域的反型層，使得MOS管漏極D到源極S之間可以導(dǎo)通并流過電流iD。

②iD開始流過的同時，反型層逐漸向漏極D擴(kuò)大，并最終使得靠近漏極D的反型層與靠近源極S的反型層寬度基本一致。

③反型層繼續(xù)擴(kuò)大，Rds-on一直降至完全導(dǎo)通，保持不變。

給Cgd充電的過程，Vgs保持不變，此時Rds-on較大，當(dāng)流過電流iD一定時，MOS管損耗較大。

當(dāng)柵極G外接電壓，MOS管導(dǎo)通過程，Vgs保持不變的區(qū)間稱為米勒區(qū)間，由于反型層的形成過程而影響的Vgs、Rds-on及MOS管損耗變化過程的現(xiàn)象稱為米勒效應(yīng)。下面結(jié)合波形詳細(xì)介紹一下米勒效應(yīng)。

這是在論壇中一個博客截的一個圖，已經(jīng)很形象地體現(xiàn)了外加柵極驅(qū)動性號時，MOS管相關(guān)電流電壓的變化情況。

（見底部原文鏈接）

t0-t1：由于柵極電壓未到達(dá)開啟電壓，MOS管未導(dǎo)通，如下圖

t1-t2：Vgs到達(dá)了開啟電壓，MOS管開始導(dǎo)通，反型層不斷拓寬，柵極電壓繼續(xù)升高，如下圖：

t2-t3：MOS管位于可變電阻區(qū)，保持持續(xù)導(dǎo)通，反型層往漏極側(cè)拓寬（大致如下圖紅框中區(qū)域），柵極電壓不變，進(jìn)入米勒平臺：

t3-t4：反型層基本拓寬到寬度一致的情況，柵極繼續(xù)施加驅(qū)動電壓，整個反型層一齊拓寬，直至柵極電壓Vgs與驅(qū)動信號源一致，導(dǎo)通阻抗Rds-on：

用MOS管模型看的話，大致如下側(cè)四圖，也就解釋了為什么反型層的輸入電容Ciss要被劃分為兩個電容Cgs跟Cgd，是因?yàn)槎叩某潆婍樞虿灰粯樱?/p>

PART-3MOS管參數(shù)

相信各位讀者對MOS管的參數(shù)已經(jīng)耳熟能詳了，這里就不再詳細(xì)說明了，參照上文博客中給出的介紹，這里僅對其中部分參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充說明：

1）、功率MOSFET的絕對最大額定值：

注①：漏源最大電壓VDSS，可視為反向施加在體二極管兩端的電壓值，故只有一個方向。

注②：柵源最大電壓VGSS，即施加在柵極電極與源極電極之間的電壓，由于柵極與P型半導(dǎo)體襯底中加了SiO2絕緣層，只要電壓絕對值超過絕緣層耐壓均會擊穿，故有兩個方向“±”。

注③：漏級最大電流ID與體二極管流過的反向漏級最大電流IDR（或稱為IS）一般規(guī)格書中數(shù)值一致，均為流過N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體襯底形成的PN結(jié)的最大電流。

注④：ID（pulse）需要看施加電流的脈沖寬度，脈寬不一致的不能沿用規(guī)格書數(shù)據(jù)。

注⑤：雪崩電流IAP同樣需要關(guān)注脈沖寬度。

2）、靜態(tài)電特性

注①：Vgs（off）其實(shí)就是開啟電壓Vgs（th），只不過這里看的角度不一樣。

注②：看完前文的讀者應(yīng)該知道為什么這里兩個Rds（on）大小有差異，不知道的回去前面重新看。

3）、動態(tài)點(diǎn)特性

注①：Ciss = Cgs + Cgd；Coss = Cds；Crss = Cgd

注②：MOS管開啟速度最主要關(guān)注的參數(shù)是Qg，也就是形成反型層需要的總電荷量！

注③：接通/斷開延遲時間t d(on/off)、上升/下降時間tr / tf，各位工程時使用的時候請根據(jù)實(shí)際漏級電路ID，柵極驅(qū)動電壓Vg進(jìn)行判斷。

MOS的介紹基本如上，時間及篇幅關(guān)系文中不涉及具體電路講解。圖源及主要參考書籍為《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),(童詩白.第4版)》，《電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.(康華光.第5版)》，各位工程師工作時多看會大學(xué)課本有時會有不同的收獲。