MOS管(MOSFET)基礎知識:結構,特性,驅(qū)動電路分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2020-10-15
下面是對MOSFET及MOSFET驅(qū)動電路基礎的一點總結，其中參考了一些資料。包括MOS管的介紹，特性，驅(qū)動。
1，MOS管種類和結構 MOSFET管是FET的一種（另一種是JFET），可以被制造成增強型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，但實際應用的只有增強型的N溝道MOS管和增強型的P溝道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是這兩種。 對于這兩種增強型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導通電阻小，且容易制造。所以開關電源和馬達驅(qū)動的應用中，一般都用NMOS。下面的介紹中，也多以NMOS為主。
MOS管的三個管腳之間有寄生電容存在，這不是我們需要的，而是由于制造工藝限制產(chǎn)生的。寄生電容的存在使得在設計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些，但沒有辦法避免，后邊再詳細介紹。 在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個寄生二極管。這個叫體二極管，在驅(qū)動感性負載（如馬達），這個二極管很重要。順便說一句，體二極管只在單個的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。
2，MOS管導通特性 導通的意思是作為開關，相當于開關閉合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況（低端驅(qū)動），只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況（高端驅(qū)動）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。
3，MOS開關管損失 不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。 MOS在導通和截止的時候，一定不是在瞬間完成的。
MOS兩端的電壓有一個下降的過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。 導通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。縮短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內(nèi)的開關次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關損失。
4，MOS管驅(qū)動 跟雙極性晶體管相比，一般認為使MOS管導通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個很容易做到，但是，我們還需要速度。 在MOS管的結構中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動，實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流，因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅(qū)動時第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路了。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵，要注意的是應該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動MOS管。
上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時當然需要有一定的余量。而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小?，F(xiàn)在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領域里，但在12V汽車電子系統(tǒng)里，一般4V導通就夠用了。
在講MOS管之前，我們來回憶一下半導體材料。如下圖：
N型半導體雜質(zhì)為P原子，多子為電子
P型半導體雜質(zhì)為B原子，多子為空穴
由于雜質(zhì)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(fā)生擴散運動，自由電子與自由空穴復合形成空間電荷區(qū)，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(qū)的電壓時，耗盡層導電粒子補充完畢，可以跟正常雜質(zhì)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。
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：
① N溝道
② 絕緣柵
③ 增強型
④ 體二極管
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(qū)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(qū)與P區(qū)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(qū)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(qū)之間有一個PN結，該PN結即為N-MOSFET的體二極管。
⑤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(zhì)上為形成反型層而吸引的電子。
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