硬件基础:MOS管

MOSFET概述

MOSFET由MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体)+FET(Field Effect Transistor场效应晶体管)这个两个缩写组成,即全称为金属氧化物场效应管,简称MOS管

即通过给金属层(M-金属铝)的栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2)的源极施加电压,产生电场的效应来控制半导体(S)导电沟道开关的场效应晶体管。由于栅极与源极、栅极与漏极之间均采用SiO2绝缘层隔离,MOSFET因此又被称为绝缘栅型场效应管

实际上场效应管分为结型绝缘栅两种不同的结构。场效应管是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称为单极型晶体管。三极管属于流控流型晶体管,而MOS管属于压控流型晶体管。

场效应管一般分为四种。

导电沟道类型可分为P沟道和N沟道。

栅极电压幅值可分为:

耗尽型-当栅极电压为时漏源极之间就存在导电沟道;

增强型-对于N(P)沟道器件,栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道;

MOSFET主要是N沟道增强型

耗尽型用得少,所以我们重点学习增强型,增强型里N沟道效果更好,所以我们这篇文章就以增强型N沟道MOS管为例来讲解。

N沟道MOS管简称NMOS,P沟道MOS管简称PMOS。

要学会区分电路符号

N沟通箭头向内,P沟道箭头向外(巧记:放P总是向外的),箭头总是从P指向N;

然后就是线条交叉多的那一端是S极(巧记:线多烦死S了),剩下的那一端就是漏极了;

再就是怎么去记寄生二极管的指向,这最好要结合NMOS管的结构图理解记忆,寄生二极管总是在漏极那一端存在,而且总是由P指向N为正方向,如果是P沟道,则从D指向S,否则从S指向D;

还有就是,如果想要MOS管的控制端能起到作用,电流方向就要逆着寄生二极管,否则不管是否控制导通,都有电流流过,就起不到控制作用了,注意不是说不能反过来,只是起不到控制作用。

MOS管工作原理

 

看上图中的封装,会发现它们和晶体管的外形很像。

事实上,二者的功能很相似。学习MOS管可以对比着晶体管来看。

漏极——基极;

源极——发射极;

漏极——集电极;

同样的,漏极和源极之间加电压来控制导通,导通的是D到S之间的整个管子。

只是,和晶体管导通的原理不一样。

MOS管的原理如下:

以N沟道MOS管为例,其在低浓度的P型半导体中掺杂两块高浓度N型半导体。

另外,栅极和衬底之间有一块绝缘层板,这样就构成了一个电容。

当在栅极加正电压,源极加负电压时,就会在电容上积累电荷,当两块N型半导体之间积累了一定的负电荷之后,就会形成一个N沟道,于是和两边的N型半导体形成一个整块的“N型半导体”,于是,MOS管就导通了。

同理,当在P沟道MOS管的栅极加上负电压,源极加上正电压之后,管子就会导通。

再捋一遍:

它以一块低掺杂的P型硅片衬底,利用扩散工艺制作两个高掺杂的 N,并引入两个电极分别为源极S(Source)漏极D(Drain),半导体上制作一层SiO2绝缘层,再在 SiO2上面制作一层金属铝Al,引出电极,作为栅极G(Gate)。通常将衬底与源极接在一起使用。这样,栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘层,形成电容。当栅-源电压变化时,将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。

寄生电容

如下图,由于源极S与衬底B相连,源极S、栅极G、绝缘膜刚好组成寄生电容Cgs,此电容大小为pF级别,一般规格书可以查到。

寄生二极管

看这张图就一目了然了。

如下图,为NMOS管的构造,村底B与源极S、漏极D均存在PN结,由于源极S与村底B相连,左边的二极管无效,源极S与漏极D存在寄生二极管,方向为S指向D。

因为源极和衬底是短接的,所以左侧的一个寄生二极管可以去掉,因此就剩下漏极一侧的一个寄生二极管,方向总是P指向N。

使用时,要特别注意内部寄生二极管,另外,某些场合可以巧用寄如果接反生二极管,比如做防反接使用时。

MOS管特性曲线

可参考:MOS管的几条曲线_mos管转移特性曲线_cclistem81的博客-CSDN博客

MOS管是通过GS之间的电压来控制DS之间的导通和关闭的,一定条件下还具有放大功能,不过和三极管不同的是,三极管是输入电流大,输出电流大,以此实现放大效果,但是MOS管是输入电压大,输出电流大,以此实现放大效果,前者是流控流,后者是压控流。

其特性曲线如下:

转移特性曲线

应该是电压的变化转移到电流的变化的意思吧?说明的是栅极电压VGS对ID的控制作用。

Ugs < Ugs(th)时,ld = 0;
Ugs>Ugs(th),且Uds为常量时,Ugs越大,Id越大,但是无能无限大;

输出特性曲线

可被分为四部分:

1、夹断区(截止区)

此区域内,VGS未达到VGS(th),MOS管不导通,即ID基本为零;

2、可变电阻区

此区域内,ID-VDS基本维持线性比例关系,斜率即为MOSFET的导通电阻1/Rds(on);

3、恒流区(放大区)

此区域内,ID不再随着VDS的增大而增大。说明ID已经饱和了。该区域也叫做放大区,因为Uds已经不能影响到输出电流大小了,此时,增加GS之间的电压,就能改变输出电流的大小,因此实现了电压到电流的放大,也被称为放大区;

4、击穿区

此区域内,因VDS过大,MOSFET被击穿损坏。

由此也可知,为什么MOS管也是有源器件,因为它也需要输入端的电压,以及输出端的电压来控制。

MOS管的放大倍数用跨导gm来表示

跨导(Transconductance)是电子元件的一项属性。电导(G)是电阻(R)的倒数;而跨导则指输出端电流的变化值与输入端电压的变化值之间的比值。

MOS管对比三极管

MOS管常见应用

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