PART– 0基礎知識

在講MOS管之前，我們來回憶一下半導體材料。如下圖：

做筆記：

N型半導體雜質為P原子，多子為電子

P型半導體雜質為B原子，多子為空穴

由于雜質半導體中有可自由移動的多子，當N型半導體跟P型半導體相接觸，多子發生擴散運動，自由電子與自由空穴復合形成空間電荷區，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電粒子。

PN結的結電容的充電過程，實際上可以近似地看做對耗盡層復合的自由帶電粒子進行補充。

外加電壓：

當PN結外接正偏電壓高于PN結兩端勢壘區的電壓時，耗盡層導電粒子補充完畢，可以跟正常雜質半導體一樣具備導電能力，電路導通。

相反的，如果PN結外接反偏電壓，耗盡層擴大，電路截止。

PART-1 MOS管結構

下文開始介紹MOS管，以增強型N-MOSFET為例子進行講解。

增強型N-MOSFET，全稱：N溝道增強型絕緣柵場效應管，在講解其結構前，請讀者記住幾個關鍵詞：

①N溝道

②絕緣柵

③ 增強型

④ 體二極管

如模電書（童詩白，第四版）中我們熟悉的結構示意圖所示，N溝道增強型MOSFET的結構可視為：

在P型半導體襯底上，制作兩個N型半導體區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。

其結構特征可解釋為以下幾點：

①由于N型半導體直接加在P型半導體襯底上，兩個N區與P區之間會形成耗盡層。

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

③柵極G外加電場后，吸引P型半導體中的自由電子，同時填充耗盡層，形成反型層導電溝道，連接兩個N型半導體區域，使得增強型N-MOSFET導通。

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

⑤如上圖所示，增強型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，結構上為體二極管位置PN結的結電容；柵極G與S極、D極之間的寄生電容Cgd、Cgs之和為輸入電容，實質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管開關過程的時候繼續解釋）。

PART-2 MOS管導通過程

MOS管的導通過程，其實就是形成反型層導電溝道的過程。

重新看回這張圖，當柵極G與源極S之間加一個正偏電壓Vgs時，增強型N-MOSFET的P型半導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型半導體區域，形成反型層導電溝道。

！敲黑板！劃重點！

導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）的這一段電壓區間，稱為可變電阻區，MOS管漏極D到源極S的導通阻抗隨Vgs增大而降低；當Vgs大于2×Vgs（th）之后，基本視為導通阻抗Rds-on降為最低，s且在溫度一致時保持不變，此時增強型N-MOSFET視為完全導通。如下圖

故設置開關MOS管驅動電壓時，一般設置為遠大于2×Vgs（th）。

模電書中給了這么一組圖，闡述了當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區域的反型層，使得MOS管漏極D到源極S之間可以導通并流過電流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反型層繼續擴大，Rds-on一直降至完全導通，保持不變。

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

當柵極G外接電壓，MOS管導通過程，Vgs保持不變的區間稱為米勒區間，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象稱為米勒效應。下面結合波形詳細介紹一下米勒效應。

這是在論壇中一個博客截的一個圖，已經很形象地體現了外加柵極驅動性號時，MOS管相關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開啟電壓，MOS管未導通，如下圖

t1-t2：Vgs到達了開啟電壓，MOS管開始導通，反型層不斷拓寬，柵極電壓繼續升高，如下圖：

t2-t3：MOS管位于可變電阻區，保持持續導通，反型層往漏極側拓寬（大致如下圖紅框中區域），柵極電壓不變，進入米勒平臺：

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

用MOS管模型看的話，大致如下側四圖，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，是因為二者的充電順序不一樣：

PART-3MOS管參數

相信各位讀者對MOS管的參數已經耳熟能詳了，這里就不再詳細說明了，參照上文博客中給出的介紹，這里僅對其中部分參數進行補充說明：

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）一般規格書中數值一致，均為流過N型半導體與P型半導體襯底形成的PN結的最大電流。

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格書數據。

注⑤：雪崩電流IAP同樣需要關注脈沖寬度。

2）、靜態電特性

注①：Vgs（off）其實就是開啟電壓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）、動態點特性

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

注②：MOS管開啟速度最主要關注的參數是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實際漏級電路ID，柵極驅動電壓Vg進行判斷。

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