MOS管类型-MOS管4种类型与工作原理解析

MOS管类型-MOS分析管类型和工作原理

MOS管，即金属(Metal)—氧化物(Oxide)—半导体(Semiconductor)场效应晶体管是应用场效应原理的半导体装置；与普通双极晶体管相比，MOS管道具有输入阻抗高、噪音低、动态范围大、功耗小、集成方便等优点，广泛应用于开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通信电源等高频电源领域。

MOS管道的类型和结构

MOS管是FET一个(另一个)JFET主要有两种结构形式：N沟型和P沟型；根据场效应原理的不同，分为耗尽型（当网压为零时，漏电极电流较大）和增强型（当网压为零时，漏电极电流为零，必须增加一定的网压）。因此，MOS管道可制成P沟增强型，P沟通耗尽，N沟通增强，N四种类型的沟通耗尽产品。

图表1 MOS管的4种类型

每一个MOS管道提供三个电极：Gate栅极(表示G”)、Source源极S”)、Drain漏极(表示为D)。接线时，N通道的电源输入为D，输出为S；P通道的电源输入为S，输出为D；而且增强型、耗尽型的接法基本相同。

图表2 MOS管内结构图

从结构图中可以发现，N沟场效应管的源极和泄漏极连接到N型半导体，而P沟场效应管的源极和泄漏极连接到P型半导体。场效应管的输出电流由输入电压（或场电压）控制，输入电流非常小或无电流输入，使设备具有较高的输入阻抗，这也是MOS管道被称为场效应管的重要原因。

MOS管工作原理

一、N沟通增强场效应管理原理

N沟道增强型MOS在P型半导体上生成管道SiO2膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区域，从N型区域引出电极(漏极D、源极S)；在源极和漏极之间SiO2绝缘层上一层金属铝作为栅极G；P半导体称为衬底，用符号B表示。由于栅极与其它电极相互绝缘，因此NMOS又称绝缘格栅场效应管。

当栅极G和源极S之间不加任何电压，即VGS=0时，由于两个漏极和源极N 型区间隔有P型衬底，相当于两个背靠背连接PN它们之间的电阻高达1012Ω，即D、S之间没有导电沟，所以无论在泄漏和源极之间增加什么极性电压，都不会产生泄漏电流ID。

图表3 N沟道增强型MOS管结构示意图

当衬底B与源极S短接时，在栅极G和源极S之间加正电压VGS>0时，如图3所示(a)所示，在栅极和衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，P排斥衬底表面附近的空穴会向下移动，电子受电场的吸引力会向衬底表面移动，与衬底表面的空穴结合形成耗尽层。

如果进一步提高VGS电压，使VGS达到某个电压VT时，P衬底表层的所有空穴都被排斥和耗尽，自由电子被大量吸引到表层，从量变到质变，使表层成为自由电子的N层，称为反层，如图3所示(b)所示。

反型层将有两个漏极D和源极SN 型区相连，形成泄漏和源极之间的N型导电沟。开始形成导电沟所需的VGS该值称为阈值电压或开启电压。VGS(th)显然，只有VGS＞VGS(th)而且VGS沟道越大，通道越厚，通道的导电阻越小，导电能力越强；增强型一词也从中得到。

图表4 由耗尽层和反形层产生的结构示意图

在VGS＞VGS(th)如果在漏极D和源极S之间增加正电压VDS，导电沟会有电流流通。泄漏电极电流从泄漏区流向源区。由于通道有一定的电阻，沿通道产生电压降，从泄漏区到源区逐渐降低通道各点的电位，靠近泄漏区一端的电压VGD最小值为VGD=VGS－VDS，相应的沟道最薄；源区一端附近电压最大等于VGS，沟道最厚。

这使得沟厚不再均匀，整个沟呈倾斜状。VDS随着漏区一端附近的沟渠越来越薄。

当VDS增加到一定的临界值VGD≤VGS(th)当泄漏端的沟道消失时，只剩下耗尽层。这种情况称为预夹断，如图4所示(a)所示。继续增大VDS[即VDS＞VGS－VGS(th)]，如图4所示，夹断点向源极方向移动(b)所示。

虽然夹断点在移动，但沟区(源极S到夹断点)的电压降保持不变，仍等于VGS－VGS(th)。因此，VDS多余的电压[VDS－(VGS－VGS(th))]全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极。

图表5 预夹断和夹断区形成示意图

二、P沟通增强场效应管理原理

P沟道增强型MOS该管因在N型衬底中产生P型反形层而得名。它通过光刻、扩散或其他方法在N型衬底（基板）上制作两个混合P区，分别引出电极（源极S和泄漏极D)，同时，在漏极与源极之间SiO在绝缘层上制作金属栅极G。其结构和工作原理与N沟通MOS管道相似；只使用栅-源和漏-源电压极性与N沟MOS管相反。

正常工作时，P沟道增强型MOS管的衬底必须与源极相连，漏极对源极的电压VDS为了保证两个P区和衬底之间的负值PN同时，为了在衬底顶表面附近形成导电沟，栅极对源极的电压也应为负。

图表6 P沟道增强型MOS管道结构示意图

当VDS=0点。由于绝缘层的存在，在栅源之间增加负电压比，没有电流，但金属栅极被补充电，聚集负电荷，N多子电子在型半导体中被负电荷排斥到体内，表面留下正电离子，形成耗尽层。

随着G、S当间负电压增加时，耗尽层加宽VDS当增加到一定值时，衬底中的孔（少子）被栅极中的负电荷吸引到表面，在耗尽层和绝缘层之间形成P薄层，称为反层，如图6（2）所示。

此时，反形层构成漏源之间的导电沟VGS称为开启电压VGS(th)，达到VGS(th)然后增加，衬底表面感应的孔越多，反形层越宽，耗尽层的宽度不再改变，所以我们可以使用它VGS控制导电沟的宽度。

图表7 P沟道增强型MOS耗尽层和反向层形成示意图

当VDS≠0点。导电沟形成后，D、S当负压之间增加时，源极和漏极之间会有漏极电流ID流通，而且ID随VDS而增，ID沿沟产生的压降使沟上各点与栅极之间的电压不再相等，削弱了栅极中负电荷电场的作用，如图7(1)所示，使沟从泄漏极逐渐缩小到源极。

当VDS增大到使VGD=VGS(即VDS=VGS-VGS(TH))，预夹断出现在漏极附近，如图7(2)所示。再继续增大VDS，夹断区只是稍微加长，沟电流基本保持预夹断时的值，因为预夹断时会继续增加VDS，VDS所有多余的部分都添加到漏极附近的夹紧区域，因此形成漏极电流ID近似与VDS无关。

图表8 P沟道增强型MOS管预夹断和夹断区形成示意图

三、N沟通耗尽的场效应管原理

N沟道耗尽型MOS管的结构与增强型MOS虽然结构相似，但只有一点区别，那就是N沟耗尽型MOS管在栅极电压下VGS=0时，沟道已经存在。这是因为N沟在制造过程中采用离子注入法D、S衬底的表面和栅极下方SiO大量金属正离子掺入绝缘层，也称为初始沟。

当VGS=0时，这些正离子已经感应到反形层，形成通道，因此只要有泄漏电压，就会有泄漏电流；当VGS＞0时，将使ID进一步增加；VGS＜0时，随着VGS减小，漏极电流逐渐减小，直到ID＝0。对应ID＝0的VGS用符号称为夹紧电压或阈值电压VGS(off)或Up表示。

由于耗尽型MOSFET在VGS=0点，漏源之间的沟已经存在，所以只要加上VDS，就有ID流通。如果增加正向栅压VGS，网极与衬底之间的电场会使沟道中感应到更多的电子，使沟道变厚，增加沟道的电导。

若在栅极加负电压(即)VGS80）正电荷将在相应的衬底表面感应，抵消N通道中的电子，从而在衬底表面产生耗尽层，使通道变窄，减少通道电导率。当负栅压升高到某个电压时VGS(off)当耗尽区扩展到整个沟道时，即使在这个时候，沟道完全被切断（耗尽）VDS它仍然存在，不会产生泄漏电流，即ID=0。

图表9 N沟道耗尽型MOS管结构(左)及转移特性(右)示意图

四、P沟通耗尽的场效应管原理

P沟道耗尽型MOS管道的工作原理和N沟耗尽MOS管完全相同，但导电载流子不同，供电电压极性也不同。

五、耗尽型和增强型MOS管的区别

耗尽型和增强型的主要区别在于耗尽型MOS管在G端(Gate)导电电压时有导电沟，增强型MOS管道只有打开后才会出现导电沟；两者的控制方同，耗尽型MOS管的VGS(栅极电压)可由正、零、负电压控制导通，增强型MOS管必须使得VGS>VGS(th)(栅极阈值电压)。

由于N沟耗尽MOS管在SiO2绝缘层中掺有大量的绝缘层Na 或K 正离子(P沟耗尽MOS当管道与负离子混合时，当VGS=0时，这些正离子产生的电场可以在P型衬底中感应到足够的电子，形成N型导电沟；当VGS>0时，会产生更大的ID(漏极电流)VGS<0，它会削弱正离子形成的电场，缩小N沟，从而缩小N沟ID减小。

这些特性使耗尽型MOS在实际应用中，设备启动时可能会误触发MOS管道，导致整机失效；不易控制，使其应用极少。

因此，我们每天都看到NMOS、PMOS多为增强型MOS管；其中，PMOS它可以很容易地用作高端驱动。PMOS由于导通电阻大、价格贵、替代品种少等问题，通常用于高端驱动NOS替代，这也是市面上无论是应用还是产品种类，增强型NMOS管最为常见的重要原因，尤其在开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS管。

(一)MOS管重要特性

1、导通特性

导通的意义是作为开关，相当于开关闭合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就会导通，适用于源极接地时的情况(低端驱动)，只需栅极电压达到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就会导通，适用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。

2、损失特性

不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，电流就会被电阻消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。小功率MOS管导通电阻一般在几毫欧至几十毫欧左右，选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。

MOS管在进行导通和截止时，两端的电压有一个降落过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，这称之为开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积越大，构成的损失也就越大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

3、寄生电容驱动特性

跟双极性晶体管相比，MOS管需要GS电压高于一定的值才能导通，而且还要求较快的导通速度。在MOS管的结构中可以看到，在GS、GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，理论上就是对电容的充放电。

对电容的充电需要一个电流，由于对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一个要留意的是可提供瞬间短路电流的大小；第二个要留意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要栅极电压大于源极电压。

而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同，所以这时栅极导通电压要比VCC高4V或10V，而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。

图表10  4种MOS管特性比较示意图

4、寄生二极管

漏极和源极之间有一个寄生二极管，即“体二极管”，在驱动感性负载(如马达、继电器)应用中，主要用于保护回路。不过体二极管只在单个MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。

图表11  寄生二极管位置示意图

5、不同耐压MOS管特点

不同耐压的MOS管，其导通电阻中各部分电阻比例分布不同。如耐压30V的MOS管，其外延层电阻仅为总导通电阻的29%，耐压600V的MOS管的外延层电阻则是总导通电阻的96.5%。

不同耐压MOS管的区别主要在于，耐高压的MOS管其反应速度比耐低压的MOS管要慢，因此，它们的特性在实际应用中也表现出了不一样之处，如耐中低压MOS管只需要极低的栅极电荷就可以满足强大电流和大功率处理能力，除开关速度快之外，还具有开关损耗低的特点，特别适应PWM输出模式应用；而耐高压MOS管具有输入阻抗高的特性，在电子镇流器、电子变压器、开关电源方面应用较多。

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