MOS管基礎及選型指南

作者：時間：2024-03-20 來源：硬件筆記本

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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。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202403/456567.htm

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(tài)范圍大、功耗小、易于集成等優(yōu)勢，在開關(guān)電源、鎮(zhèn)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(jié)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。

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

根據(jù)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(gòu)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(chǎn)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(guān)等方面，耗盡型幾乎不用。

▉ N和P區(qū)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。

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(chǎn)工藝，一般的MOS管會有一個寄生二極管，有的也叫體二極管。

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(guān)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(tài)，因為MOS管的導通內(nèi)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(qū)，從N型區(qū)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(qū)之間隔有P型襯底，相當于兩個背靠背連接的PN結(jié)，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(chǎn)生漏極電流ID。

N溝道增強型MOS管結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(zhì)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(qū)相連通，構(gòu)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。

耗盡層與反型層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)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(qū)流向源區(qū)，因為溝道有一定的電阻，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)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(qū)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(qū)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(xù)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(qū)（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(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強的電場。這時電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當電子到達夾斷區(qū)邊緣時，受夾斷區(qū)強電場的作用，會很快的漂移到漏極。