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MOS管基礎及選型指南

硬件筆記本 ? 來源:硬件筆記本 ? 2023-02-02 14:11 ? 次閱讀

MOS管,即金屬(Metal)—氧化物(Oxide)—半導體(Semiconductor)場效應晶體管,是一種應用場效應原理工作的半導體器件。 和普通雙極型晶體管相比,MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、動態范圍大、功耗小、易于集成等優勢,在開關電源、鎮流器、高頻感應加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領域得到了越來越普遍的應用。

▉ 場效應管分類

場效應管分為結型(JFET)和金屬-氧化物-半導體型(MOSFET)兩種類型。

JFET的英文全稱是Junction Field-Effect Transistor,也分為N溝道和P溝道兩種,在實際中幾乎不用。

MOSFET英文全稱是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,應用廣泛,MOSFET一般稱MOS管。

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MOS管是FET的一種(另一種為JFET結型場效應管),主要有兩種結構形式:N溝道型和P溝道型。

根據場效應原理的不同,分為耗盡型(當柵壓為零時有較大漏極電流)和增強型(當柵壓為零,漏極電流也為零,必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流)兩種。

因此,MOS管可以被制構成P溝道增強型、P溝道耗盡型、N溝道增強型、N溝道耗盡型4種類型產品。 一般主板上使用最多的是增強型MOS管,NMOS最多,一般多用在信號控制上,其次是PMOS,多用在電源開關等方面,耗盡型幾乎不用。

▉ N和P區分

每一個MOS管都提供有三個電極:Gate柵極(表示為“G”)、Source源極(表示為“S”)、Drain漏極(表示為“D”)。接線時,對于N溝道的電源輸入為D,輸出為S;P溝道的電源輸入為S,輸出為D;且增強型、耗盡型的接法基本一樣。

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紅色箭頭指向G極的為NMOS,箭頭背向G極的為PMOS

▉ 寄生二極管

由于生產工藝,一般的MOS管會有一個寄生二極管,有的也叫體二極管。

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紅色標注的為體二極管

從上圖可以看出NMOS和PMOS寄生二極管方向不一樣,NMOS是由S極→D極,PMOS是由D極→S極。

寄生二極管和普通二極管一樣,正接會導通,反接截止,對于NMOS,當S極接正,D極接負,寄生二極管會導通,反之截止;對于PMOS管,當D極接正,S極接負,寄生二極管導通,反之截止。

某些應用場合,也會選擇走體二極管,以降低DS之間的壓降(體二極管的壓降是比MOS的導通壓降大很多的),同時也要關注體二極管的過電流能力。

當滿足MOS管的導通條件時,MOS管的D極和S極會導通,這個時候體二極管是截止狀態,因為MOS管的導通內阻極小,一般mΩ級別,流過1A級別的電流,也才mV級別,所以D極和S極之間的導通壓降很小,不足以使寄生二極管導通,這點需要特別注意。 ▉ MOS管工作原理(以N溝道增強型為例)

N溝道增強型MOS管在P型半導體上生成一層SiO2薄膜絕緣層,然后用光刻工藝擴散兩個高摻雜的N型區,從N型區引出電極(漏極D、源極S);在源極和漏極之間的SiO2絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G;P型半導體稱為襯底,用符號B表示。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的,所以NMOS又被稱為絕緣柵型場效應管。

當柵極G和源極S之間不加任何電壓,即VGS=0時,由于漏極和源極兩個N+型區之間隔有P型襯底,相當于兩個背靠背連接的PN結,它們之間的電阻高達1012Ω,即D、S之間不具備導電的溝道,所以無論在漏、源極之間加何種極性的電壓,都不會產生漏極電流ID。

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N溝道增強型MOS管結構示意圖

當將襯底B與源極S短接,在柵極G和源極S之間加正電壓,即VGS>0時,如上圖所示,則在柵極與襯底之間產生一個由柵極指向襯底的電場。在這個電場的作用下,P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運動,電子受電場的吸引向襯底表面運動,與襯底表面的空穴復合,形成了一層耗盡層。

如果進一步提高VGS電壓,使VGS達到某一電壓VT時,P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡,而自由電子大量地被吸引到表面層,由量變到質變,使表面層變成了自由電子為多子的N型層,稱為“反型層”,如下圖所示。

反型層將漏極D和源極S兩個N+型區相連通,構成了漏、源極之間的N型導電溝道。把開始形成導電溝道所需的VGS值稱為閾值電壓或開啟電壓,用VGS(th)表示。顯然,只有VGS>VGS(th)時才有溝道,而且VGS越大,溝道越厚,溝道的導通電阻越小,導電能力越強;“增強型”一詞也由此得來。

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耗盡層與反型層產生的結構示意圖

在VGS>VGS(th)的條件下,如果在漏極D和源極S之間加上正電壓VDS,導電溝道就會有電流流通。漏極電流由漏區流向源區,因為溝道有一定的電阻,所以沿著溝道產生電壓降,使溝道各點的電位沿溝道由漏區到源區逐漸減小,靠近漏區一端的電壓VGD最小,其值為VGD=VGS-VDS,相應的溝道最薄;靠近源區一端的電壓最大,等于VGS,相應的溝道最厚。

這樣就使得溝道厚度不再是均勻的,整個溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大,靠近漏區一端的溝道越來越薄。

當VDS增大到某一臨界值,使VGD≤VGS(th)時,漏端的溝道消失,只剩下耗盡層,把這種情況稱為溝道“預夾斷”,如下圖(a)所示。繼續增大VDS[即VDS>VGS-VGS(th)],夾斷點向源極方向移動,如下圖(b)所示。

盡管夾斷點在移動,但溝道區(源極S到夾斷點)的電壓降保持不變,仍等于VGS-VGS(th)。因此,VDS多余部分電壓[VDS-(VGS-VGS(th))]全部降到夾斷區上,在夾斷區內形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區,當電子到達夾斷區邊緣時,受夾斷區強電場的作用,會很快的漂移到漏極。

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預夾斷及夾斷區形成示意圖

▉ 導通條件

MOS管是壓控型,導通由G和S極之間壓差決定。 對NMOS來說,Vg-Vs》Vgs(th),即G極和S極的壓差大于一定值,MOS管會導通,但是也不能大太多,否則燒壞MOS管,開啟電壓和其他參數可以看具體器件的SPEC。

對PMOS來說,Vs-Vg》Vgs(th),即S極和G極的壓差大于一定值,MOS管會導通,同樣的,具體參數看器件的SPEC。

▉ 與三極管的區別

三極管是電流控制,MOS管是電壓控制,主要有如下的區別:

1、只容許從信號源取少量電流的情況下,選用MOS管;在信號電壓較低,有容許從信號源取較多電流的條件下,選用三極管。

2、MOS管是單極性器件(靠一種多數載流子導電),三極管是雙極性器件(既有多數載流子,也要少數載流子導電)。

3、有些MOS管的源極和漏極可以互換運用,柵極也可正可負,靈活性比三極管好。

4、MOS管應用普遍,可以在很小電流和很低電壓下工作。

5、MOS管輸入阻抗大,低噪聲,MOS管較貴,三極管的損耗大。

6、MOS管常用來作為電源開關,以及大電流開關電路、高頻高速電路中,三極管常用來數字電路開關控制

▉ G和S極串聯電阻的作用

MOS管的輸入阻抗很大,容易受到外界信號的干擾,只要少量的靜電,就能使G-S極間等效電容兩端產生很高的電壓,如果不及時把靜電釋放掉,兩端的高壓容易使MOS管產生誤動作,甚至有可能擊穿G-S極,起到一個固定電平的作用。

▉ G極串聯電阻的作用

MOS管是壓控型,有的情況下,為什么還需要在G極串聯一個電阻呢?

1、減緩Rds從無窮大到Rds(on)。

2、防止震蕩,一般單片機的I/O輸出口都會帶點雜散電感,在電壓突變的情況下,可能與柵極電容形成LC震蕩,串聯電阻可以增大阻尼減小震蕩效果。

3、減小柵極充電峰值電流。 ▉ 選型要點

1、電壓值

關注Vds最大導通電壓和Vgs最大耐壓,實際使用中,不能超過這個值,否則MOS管會損壞。

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關注導通電壓Vgs(th),一般MOS管都是用單片機進行控制,根據單片機GPIO的電平來選擇合適導通閾值的MOS管,并且盡量留有一定的余量,以確保MOS可以正常開關。

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2、電流值

關注ID電流,這個值代表了NMOS管的能流過多大電流,反應帶負載的能力,超過這個值,MOS管也會損壞。

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3、功率損耗

功率損耗需要關注以下幾個參數,包括熱阻、溫度。熱阻指的是當有熱量在物體上傳輸時,在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值,單位是℃/W或者是K/W,熱阻的公式為ThetaJA = (Tj-Ta)/P,和功率和環境溫度都有關系。

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4、導通內阻

導通內阻關注NMOS的Rds(on)參數,導通內阻越小,NMOS管的損耗越小,一般NMOS管的導通內阻都是在mΩ級別。

5、開關時間

MOS作為開關器件,就會有開關時間概念,在高速電路中,盡可能選擇輸入、輸出電容Ciss&Coss小、開關時間Ton&Toff短的MOS管,以保證數據通信正常。

6、封裝

根據PCB板的尺寸,選擇合適的NMOS管尺寸,在板載面積有限的情況下,盡可能選擇小封裝;盡量選擇常見封裝,以備后續選擇合適的替代料。

審核編輯 :李倩

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原文標題:MOS管基礎及選型指南

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