MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識(shí):結(jié)構(gòu),特性,驅(qū)動(dòng)電路分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-10-15
下面是對(duì)MOSFET及MOSFET驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)的一點(diǎn)總結(jié)，其中參考了一些資料。包括MOS管的介紹，特性，驅(qū)動(dòng)。
1，MOS管種類(lèi)和結(jié)構(gòu) MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類(lèi)型，但實(shí)際應(yīng)用的只有增強(qiáng)型的N溝道MOS管和增強(qiáng)型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。 對(duì)于這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小，且容易制造。所以開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
MOS管的三個(gè)管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設(shè)計(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)有辦法避免，后邊再詳細(xì)介紹。 在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。
2，MOS管導(dǎo)通特性 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(lèi)少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
3，MOS開(kāi)關(guān)管損失 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。
4，MOS管驅(qū)動(dòng) 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(zhuān)門(mén)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(chē)電子系統(tǒng)里，一般4V導(dǎo)通就夠用了。
在講MOS管之前，我們來(lái)回憶一下半導(dǎo)體材料。如下圖：
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(dòng)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(dòng)，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(shuō)的耗盡層。
再做個(gè)筆記：耗盡層中沒(méi)有自由移動(dòng)的導(dǎo)電粒子。
PN結(jié)的結(jié)電容的充電過(guò)程，實(shí)際上可以近似地看做對(duì)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(shì)壘區(qū)的電壓時(shí)，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。
下文開(kāi)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(chēng)：N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，在講解其結(jié)構(gòu)前，請(qǐng)讀者記住幾個(gè)關(guān)鍵詞：
① N溝道
② 絕緣柵
③ 增強(qiáng)型
④ 體二極管
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(gè)N型半導(dǎo)體區(qū)域并引兩個(gè)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(gè)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(gè)N區(qū)與P區(qū)之間會(huì)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(chǎng)作用。
③柵極G外加電場(chǎng)后，吸引P型半導(dǎo)體中的自由電子，同時(shí)填充耗盡層，形成反型層導(dǎo)電溝道，連接兩個(gè)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(shí)，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(gè)PN結(jié)，該P(yáng)N結(jié)即為N-MOSFET的體二極管。
⑤增強(qiáng)型N-MOSFET各電極之間各有一個(gè)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。
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