MOS管学名是场效应管,是金属-氧化物-半导体型场效应管,属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。

 

其结构示意图:

 

 

解释1:沟道

上面图中,下边的p型中间一个窄长条就是沟道,使得左右两块P型极连在一起,因此mos管导通后是电阻特性,因此它的一个重要参数就是导通电阻,选用mos管必须清楚这个参数是否符合需求。

 

解释2:n型

上图表示的是p型mos管,读者可以依据此图理解n型的,都是反过来即可。因此,不难理解,n型的如图在栅极加正压会导致导通,而p型的相反。

 

解释3:增强型

相对于耗尽型,增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通,如图。栅极电压越低,则p型源、漏极的正离子就越靠近中间,n衬底的负离子就越远离栅极,栅极电压达到一个值,叫阀值或坎压时,由p型游离出来的正离子连在一起,形成通道,就是图示效果。因此,容易理解,栅极电压必须低到一定程度才能导通,电压越低,通道越厚,导通电阻越小。

 

由于电场的强度与距离平方成正比,因此,电场强到一定程度之后,电压下降引起的沟道加厚就不明显了,也是因为n型负离子的“退让”是越来越难的。耗尽型的是事先做出一个导通层,用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通。但这种管子一般不生产,在市面基本见不到。所以,大家平时说mos管,就默认是增强型的。

 

解释4:左右对称

图示左右是对称的,难免会有人问怎么区分源极和漏极呢?其实原理上,源极和漏极确实是对称的,是不区分的。但在实际应用中,厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管,起保护作用,正是这个二极管决定了源极和漏极,这样,封装也就固定了,便于实用。我的老师年轻时用过不带二极管的mos管。非常容易被静电击穿,平时要放在铁质罐子里,它的源极和漏极就是随便接。

 

解释5:金属氧化物膜

图中有指示,这个膜是绝缘的,用来电气隔离,使得栅极只能形成电场,不能通过直流电,因此是用电压控制的。在直流电气上,栅极和源漏极是断路。不难理解,这个膜越薄:电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是:越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵。例如导通电阻在欧姆级的,1角人民币左右买一个,而2402等在十毫欧级的,要2元多(批量买。零售是4元左右)。

 

解释6:与实物的区别

上图仅仅是原理性的,实际的元件增加了源-漏之间跨接的保护二极管,从而区分了源极和漏极。实际的元件,p型的,衬底是接正电源的,使得栅极预先成为相对负电压,因此p型的管子,栅极不用加负电压了,接地就能保证导通。相当于预先形成了不能导通的沟道,严格讲应该是耗尽型了。好处是明显的,应用时抛开了负电压。

 

解释7:寄生电容

上图的栅极通过金属氧化物与衬底形成一个电容,越是高品质的mos,膜越薄,寄生电容越大,经常mos管的寄生电容达到nF级。这个参数是mos管选择时至关重要的参数之一,必须考虑清楚。Mos管用于控制大电流通断,经常被要求数十K乃至数M的开关频率,在这种用途中,栅极信号具有交流特征,频率越高,交流成分越大,寄生电容就能通过交流电流的形式通过电流,形成栅极电流。

 

消耗的电能、产生的热量不可忽视,甚至成为主要问题。为了追求高速,需要强大的栅极驱动,也是这个道理。试想,弱驱动信号瞬间变为高电平,但是为了“灌满”寄生电容需要时间,就会产生上升沿变缓,对开关频率形成重大威胁直至不能工作。

 

解释8:如何工作在放大区

Mos管也能工作在放大区,而且很常见。做镜像电流源、运放、反馈控制等,都是利用mos管工作在放大区,由于mos管的特性,当沟道处于似通非通时,栅极电压直接影响沟道的导电能力,呈现一定的线性关系。由于栅极与源漏隔离,因此其输入阻抗可视为无穷大,当然,随频率增加阻抗就越来越小,一定频率时,就变得不可忽视。这个高阻抗特点被广泛用于运放,运放分析的虚连、虚断两个重要原则就是基于这个特点。这是三极管不可比拟的。

 

解释9:发热原因

Mos管发热,主要原因之一是寄生电容在频繁开启关闭时,显现交流特性而具有阻抗,形成电流。有电流就有发热,并非电场型的就没有电流。另一个原因是当栅极电压爬升缓慢时,导通状态要“路过”一个由关闭到导通的临界点,这时,导通电阻很大,发热比较厉害。第三个原因是导通后,沟道有电阻,过主电流,形成发热。主要考虑的发热是第1和第3点。许多mos管具有结温过高保护,所谓结温就是金属氧化膜下面的沟道区域温度,一般是150摄氏度。超过此温度,mos管不可能导通。温度下降就恢复。要注意这种保护状态的后果。

 

但愿上述描述能通俗的理解mos管,下面说说几个约定俗成电路:

 

1:pmos应用

一般用于管理电源的通断,属于无触点开关,栅极低电平就完全导通,高电平就完全截止。而且,栅极可以加高过电源的电压,意味着可以用5v信号管理3v电源的开关,这个原理也用于电平转换。

 

2:nmos管应用

一般用于管理某电路是否接地,属于无触点开关,栅极高电平就导通导致接地,低电平截止。当然栅极也可以用负电压截止,但这个好处没什么意义。其高电平可以高过被控制部分的电源,因为栅极是隔离的。因此可以用5v信号控制3v系统的某处是否接地,这个原理也用于电平转换。

 

3:放大区应用

工作于放大区,一般用来设计反馈电路,需要的专业知识比较多,类似运放,这里无法细说。常用做镜像电流源、电流反馈、电压反馈等。至于运放的集成应用,我们其实不用关注。人家都做好了,看好datasheet就可以了,不用按mos管方式去考虑导通电阻和寄生电容。

 

03MOS管的基本知识

现在的高清、液晶、等离子电视机中开关电源部分除了采用了PFC技术外,在元器件上的开关管均采用性能优异的MOS管取代过去的大功率晶体三极管,使整机的效率、可靠性、故障率均大幅的下降。由于MOS管和大功率晶体三极管在结构、特性有着本质上的区别,在应用上;驱动电路也比晶体三极管复杂,致使维修人员对电路、故障的分析倍感困难,此文即针对这一问题,把MOS管及其应用电路作简单介绍,以满足维修人员需求。

 

一、什么是MOS管

MOS管的英文全称叫MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor),即金属氧化物半导体型场效应管,属于场效应管中的绝缘栅型。因此,MOS管有时被称为绝缘栅场效应管。在一般电子电路中,MOS管通常被用于放大电路或开关电路。

 

1、MOS管的构造;

在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作为漏极D和源极S。然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅(Si02)绝缘层膜,在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极,作为栅极G。这就构成了一个N沟道(NPN型)增强型MOS管。显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。图1-1所示A、B分别是它的结构图和代表符号。

 

同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上,用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区,及上述相同的栅极制作过程,就制成为一个P沟道(PNP型)增强型MOS管。图1-2所示A、B分别是P沟道MOS管道结构图和代表符号。

 

图1-1-A图1-1-B

 

图1-2-A图1-2-B

 

2、MOS管的工作原理:图1-3是N沟道MOS管工作原理图;

 

图1-3-A

 

图1-3-B

 

从图1-3-A可以看出,增强型MOS管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压VGS=0时,即使加上漏-源电压VDS,总有一个PN结处于反偏状态,漏-源极间没有导电沟道(没有电流流过),所以这时漏极电流ID=0。

 

此时若在栅-源极间加上正向电压,图1-3-B所示,即VGS>0,则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场,由于氧化物层是绝缘的,栅极所加电压VGS无法形成电流,氧化物层的两边就形成了一个电容,VGS等效是对这个电容充电,并形成一个电场,随着VGS逐渐升高,受栅极正电压的吸引,在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道。

 

当VGS大于管子的开启电压VT(一般约为2V)时,N沟道管开始导通,形成漏极电流ID,我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压,一般用VT表示。控制栅极电压VGS的大小改变了电场的强弱,就可以达到控制漏极电流ID的大小的目的,这也是MOS管用电场来控制电流的一个重要特点,所以也称之为场效应管。

 

3、MOS管的特性;

上述MOS管的工作原理中可以看出,MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的,由于Sio2绝缘层的存在,在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在,电压VGS产生电场从而导致源极-漏极电流的产生。此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小,控制栅极电压VGS的大小就可以控制漏极电流ID的大小。这就可以得出如下结论:

1)MOS管是一个由改变电压来控制电流的器件,所以是电压器件。

2)MOS管道输入特性为容性特性,所以输入阻抗极高。

 

4、MOS管的电压极性和符号规则;

图1-4-A是N沟道MOS管的符号,图中D是漏极,S是源极,G是栅极,中间的箭头表示衬底,如果箭头向里表示是N沟道的MOS管,箭头向外表示是P沟道的MOS管。

 

在实际MOS管生产的过程中衬底在出厂前就和源极连接,所以在符号的规则中;表示衬底的箭头也必须和源极相连接,以区别漏极和源极。图1-5-A是P沟道MOS管的符号。

 

MOS管应用电压的极性和我们普通的晶体三极管相同,N沟道的类似NPN晶体三极管,漏极D接正极,源极S接负极,栅极G正电压时导电沟道建立,N沟道MOS管开始工作,如图1-4-B所示。同样P道的类似PNP晶体三极管,漏极D接负极,源极S接正极,栅极G负电压时,导电沟道建立,P沟道MOS管开始工作,如图1-5-B所示。

 

图1-4-AN沟道MOS管符号

 

图1-4-BN沟道MOS管电压极性及衬底连接

 

图1-5-AP沟道MOS管符号

 

图1-5-BP沟道MOS管电压极性及衬底连接

 

5、MOS管和晶体三极管相比的重要特性;

1).场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c,它们的作用相似,图1-6-A所示是N沟道MOS管和NPN型晶体三极管引脚,图1-6-B所示是P沟道MOS管和PNP型晶体三极管引脚对应图。

 

图1-6-A图1-6-B

 

2).场效应管是电压控制电流器件,由VGS控制ID,普通的晶体三极管是电流控制电流器件,由IB控制IC。MOS管道放大系数是(跨导gm)当栅极电压改变一伏时能引起漏极电流变化多少安培。晶体三极管是电流放大系数(贝塔β)当基极电流改变一毫安时能引起集电极电流变化多少。

 

3).场效应管栅极和其它电极是绝缘的,不产生电流;而三极管工作时基极电流IB决定集电极电流IC。因此场效应管的输入电阻比三极管的输入电阻高的多。

 

4).场效应管只有多数载流子参与导电;三极管有多数载流子和少数载流子两种载流子参与导电,因少数载流子浓度受温度、辐射等因素影响较大,所以场效应管比三极管的温度稳定性好。

 

5).场效应管在源极未与衬底连在一起时,源极和漏极可以互换使用,且特性变化不大,而三极管的集电极与发射极互换使用时,其特性差异很大,b值将减小很多。

 

6).场效应管的噪声系数很小,在低噪声放大电路的输入级及要求信噪比较高的电路中要选用场效应管。

 

7).场效应管和普通晶体三极管均可组成各种放大电路和开关电路,但是场效应管制造工艺简单,并且又具有普通晶体三极管不能比拟的优秀特性,在各种电路及应用中正逐步的取代普通晶体三极管,目前的大规模和超大规模集成电路中,已经广泛的采用场效应管。

 

6、在开关电源电路中;大功率MOS管和大功率晶体三极管相比MOS管的优点;

1)、输入阻抗高,驱动功率小:由于栅源之间是二氧化硅(SiO2)绝缘层,栅源之间的直流电阻基本上就是SiO2绝缘电阻,一般达100MΩ左右,交流输入阻抗基本上就是输入电容的容抗。由于输入阻抗高,对激励信号不会产生压降,有电压就可以驱动,所以驱动功率极小(灵敏度高)。一般的晶体三极管必需有基极电压Vb,再产生基极电流Ib,才能驱动集电极电流的产生。晶体三极管的驱动是需要功率的(Vb×Ib)。

 

2)、开关速度快:MOSFET的开关速度和输入的容性特性的有很大关系,由于输入容性特性的存在,使开关的速度变慢,但是在作为开关运用时,可降低驱动电路内阻,加快开关速度(输入采用了后述的“灌流电路”驱动,加快了容性的充放电的时间)。MOSFET只靠多子导电,不存在少子储存效应,因而关断过程非常迅速,开关时间在10—100ns之间,工作频率可达100kHz以上,普通的晶体三极管由于少数载流子的存储效应,使开关总有滞后现象,影响开关速度的提高(目前采用MOS管的开关电源其工作频率可以轻易的做到100K/S~150K/S,这对于普通的大功率晶体三极管来说是难以想象的)。

 

3)、无二次击穿;由于普通的功率晶体三极管具有当温度上升就会导致集电极电流上升(正的温度~电流特性)的现象,而集电极电流的上升又会导致温度进一步的上升,温度进一步的上升,更进一步的导致集电极电流的上升这一恶性循环。而晶体三极管的耐压VCEO随管温度升高是逐步下降,这就形成了管温继续上升、耐压继续下降最终导致晶体三极管的击穿,这是一种导致电视机开关电源管和行输出管损坏率占95%的破环性的热电击穿现象,也称为二次击穿现象。

 

MOS管具有和普通晶体三极管相反的温度~电流特性,即当管温度(或环境温度)上升时,沟道电流IDS反而下降。例如;一只IDS=10A的MOSFET开关管,当VGS控制电压不变时,在250C温度下IDS=3A,当芯片温度升高为1000C时,IDS降低到2A,这种因温度上升而导致沟道电流IDS下降的负温度电流特性,使之不会产生恶性循环而热击穿。也就是MOS管没有二次击穿现象,可见采用MOS管作为开关管,其开关管的损坏率大幅度的降低,近两年电视机开关电源采用MOS管代替过去的普通晶体三极管后,开关管损坏率大大降低也是一个极好的证明。

 

4)、MOS管导通后其导通特性呈纯阻性;

普通晶体三极管在饱和导通是,几乎是直通,有一个极低的压降,称为饱和压降,既然有一个压降,那么也就是;普通晶体三极管在饱和导通后等效是一个阻值极小的电阻,但是这个等效的电阻是一个非线性的电阻(电阻上的电压和流过的电流不能符合欧姆定律),而MOS管作为开关管应用,在饱和导通后也存在一个阻值极小的电阻,但是这个电阻等效一个线性电阻,其电阻的阻值和两端的电压降和流过的电流符合欧姆定律的关系,电流大压降就大,电流小压降就小,导通后既然等效是一个线性元件,线性元件就可以并联应用,当这样两个电阻并联在一起,就有一个自动电流平衡的作用,所以MOS管在一个管子功率不够的时候,可以多管并联应用,且不必另外增加平衡措施(非线性器件是不能直接并联应用的)。

 

MOS管和普通的晶体三极管相比,有以上四项优点,就足以使MOS管在开关运用状态下完全取代普通的晶体三极管。目前的技术MOS管道VDS能做到1000V,只能作为开关电源的开关管应用,随着制造工艺的不断进步,VDS的不断提高,取代显像管电视机的行输出管也是近期能实现的。