關(guān)于BJT與MOS管的詳細(xì)解析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-02-25
1、三極管是電流控制電流，場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制電流（主要區(qū)別）。
2、三極管功耗大（極大的限制了三極管在大規(guī)模集成電路中的應(yīng)用），場(chǎng)效應(yīng)管功耗?。?/span>電路中應(yīng)用廣泛）。
3、場(chǎng)效應(yīng)管柵極幾乎不取電流，而三極管工作時(shí)基極總要吸取一定的電流。因此場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高。
4、三極管導(dǎo)通電阻大，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通電阻小，只有幾百毫歐姆，在現(xiàn)在的用電器件上，一般都將場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)，其效率是比較高的。
5、場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路中要選用場(chǎng)效應(yīng)管。
6、三極管是雙極性（內(nèi)部導(dǎo)電方式：空穴和載流子），場(chǎng)效應(yīng)管是單極性（空穴or載流子）。
類(lèi)比：
三極管的NPN型與PNP型 對(duì)應(yīng)于場(chǎng)效應(yīng)管的 N型與P型。
三極管的b、c、e極 對(duì)應(yīng)于場(chǎng)效應(yīng)管的 g、d、s極。
1. mos管的發(fā)熱問(wèn)題
目前設(shè)計(jì)的Server電源中，用到兩組MOS管給CPU供電，在持續(xù)工作條件下非常燙手，盡管目前工作性能還比較正常，但對(duì)整體功效有影響，長(zhǎng)期影響系統(tǒng)的可靠性。由于板面限制，沒(méi)法多并聯(lián)幾個(gè)MOS，該如何解決這個(gè)問(wèn)題？
對(duì)于服務(wù)器電源中的負(fù)載開(kāi)關(guān)這類(lèi)應(yīng)用，由于MOS管基本上一直都是處于導(dǎo)通狀態(tài)，故MOS管的開(kāi)關(guān)特性無(wú)關(guān)緊要，而導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))卻可能是這種應(yīng)用的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)，建議選用低導(dǎo)通電阻MOS管。導(dǎo)通電阻最低到1mΩ。如果功率密度較大，建議采用具有很低熱阻的CanPAK封裝、能實(shí)現(xiàn)頂部冷卻。
無(wú)論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來(lái)控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過(guò)加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì)發(fā)生像三極管做開(kāi)關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，因此在開(kāi)關(guān)應(yīng)用中， MOS管的開(kāi)關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。
在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用方面，這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴(lài)兩個(gè)MOS管來(lái)執(zhí)行開(kāi)關(guān)功能，這些開(kāi)關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量，然后把能量釋放給負(fù)載。
我們常選擇數(shù)百kHz乃至1 MHz以上的頻率，因?yàn)轭l率越高，磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間，MOS管只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此，我們電路或者電源設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導(dǎo)損耗。
我們經(jīng)?？碝OS管的PDF參數(shù)，MOS管制造商采用RDS（ON） 參數(shù)來(lái)定義導(dǎo)通阻抗，對(duì)開(kāi)關(guān)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，RDS（ON） 也是最重要的器件特性。
數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS（ON） 與柵極 （或驅(qū)動(dòng)）電壓 VGS 以及流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS（ON） 是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。
另外，慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS（ON）的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。
1.發(fā)熱情況有，電路設(shè)計(jì)的問(wèn)題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個(gè)原因。
如果N-MOS做開(kāi)關(guān)，G級(jí)電壓要比電源高幾V，才能完全導(dǎo)通，P-MOS則相反。沒(méi)有完全打開(kāi)而壓降過(guò)大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計(jì)電路的最忌諱的錯(cuò)誤。
2.頻率太高，主要是有時(shí)過(guò)分追求體積，導(dǎo)致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。
3.沒(méi)有做好足夠的散熱設(shè)計(jì)，電流太高，MOS管標(biāo)稱(chēng)的電流值，一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴(yán)重，需要足夠的輔助散熱片。
4.MOS管的選型有誤，對(duì)功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒(méi)有充分考慮，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)阻抗增大。
再來(lái)看最為重要的一點(diǎn)，那就是開(kāi)關(guān)速度。這一點(diǎn)對(duì)于沒(méi)有器件物理知識(shí)的讀者來(lái)說(shuō)，討論起來(lái)會(huì)比較困難，所以這里不涉及具體的機(jī)理，僅說(shuō)一下結(jié)論性的東西。
我們知道BJT飽和時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)都是正偏的，對(duì)于NPN型，集電極電流主要是發(fā)射區(qū)的電子先擴(kuò)散到基區(qū)，然后再漂移到達(dá)集電區(qū)被收集而形成的。當(dāng)BJT工作在飽和狀態(tài)時(shí)，注入的基極電流IB往往大于臨界飽和時(shí)所需要的基極電流IBS。
那么，集電區(qū)不能收集到從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的全部電子，基區(qū)就會(huì)有電子的積累，或者說(shuō)基區(qū)存儲(chǔ)有少子電荷QBS。當(dāng)外加基極驅(qū)動(dòng)電壓Ui突變?yōu)?時(shí)，QBS不能馬上消散。只要QBS沒(méi)有消散，集電極電流就一直存在，BJT不能馬上關(guān)斷。
為了關(guān)斷BJT，必須從基極抽取存儲(chǔ)的少子電荷QBS。這個(gè)抽取過(guò)程所需的時(shí)間就是存儲(chǔ)時(shí)間，對(duì)一般的BJT，這個(gè)時(shí)間在μS級(jí)，嚴(yán)重影響了BJT的關(guān)斷速度。而對(duì)MOSFET，開(kāi)啟與關(guān)斷的時(shí)間僅僅是寄生電容充放電的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間很容易控制到nS級(jí)甚至更小。
所以從開(kāi)關(guān)速度來(lái)說(shuō)，BJT也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及MOSFET。這也是造成現(xiàn)代功率電子電路中的功率開(kāi)關(guān)幾乎全部被MOSFET替換的最主要原因。
接下來(lái)，我們看一下導(dǎo)通時(shí)的損耗。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)于BJT來(lái)說(shuō)，存在一個(gè)近乎常量的飽和壓降UCE（sat），對(duì)不同功率級(jí)別的管子來(lái)說(shuō)，這個(gè)值在幾百mV到幾V之間。
而對(duì)于MOSFET而言，這個(gè)壓降等于漏源電流ID和導(dǎo)通電阻Ron的乘積。一般的低壓MOSFET，Ron為幾mΩ到幾百mΩ，而高壓MOSFET的這個(gè)值約幾百mΩ到幾Ω。
下面看一下這些寄生參數(shù)是如何影響開(kāi)關(guān)速度的。
如圖十，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ui到來(lái)的一瞬間，由于MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)CGS和CGD上的電壓分別為UGS=0，UGD=-VDD，CGS和CGD上的電荷量分別為QGS= 0，QGD= UGDCGD=VDDCGD。
接下來(lái)Ui通過(guò)RG對(duì)CGS充電，UGS逐漸升高（這個(gè)過(guò)程中，隨著UGS升高，也會(huì)伴隨著CGD的放電，但是由于VDD遠(yuǎn)大于UGS，CGD不會(huì)導(dǎo)致柵電流的明顯增加）。
當(dāng)UGS達(dá)到閾值電壓時(shí)，開(kāi)始有電流過(guò)MOSFET（事實(shí)上，當(dāng)UGS還沒(méi)有達(dá)到閾值電壓時(shí)，已經(jīng)有微小的電流流過(guò)MOSFET了），MOSFET上承受的壓降由原來(lái)的VDD開(kāi)始減小， CGD上的電壓也會(huì)隨之減小，那么，也就伴隨著的CGD放電。
由于CGD上的電荷量QGD= VDDCGD較大，所以放電的時(shí)間較長(zhǎng)。在放電的這段時(shí)間內(nèi)，柵極電流基本上用于CGD的放電，因此柵源電壓的增加變得緩慢。
放電完成后，Ui通過(guò)RG繼續(xù)對(duì)CGS和CGD充電（因?yàn)榇藭r(shí)MOSFET已經(jīng)充分導(dǎo)通，相當(dāng)于CGS和CGD并聯(lián)），直到柵源電壓達(dá)到Ui，開(kāi)啟過(guò)程至此完成。圖十一的曲線很好地描繪了導(dǎo)通過(guò)程中UGS隨時(shí)間變化的曲線。需要注意的是，由于驅(qū)動(dòng)提供的不是電流源，所以實(shí)際上的曲線并非直線，圖十一僅代表上升趨勢(shì)。
同時(shí)，由上不難看出，RG越大，寄生電容的充電時(shí)間將會(huì)越長(zhǎng)。顯然，RG太大時(shí)MOSFET不能在短時(shí)間內(nèi)充分導(dǎo)通。在高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中（如D類(lèi)功放、開(kāi)關(guān)電源），這個(gè)阻值一般取幾Ω到幾十Ω。
然而，即使是低速情況下，RG也不宜取得太大，因?yàn)檫^(guò)大的RG會(huì)延長(zhǎng)電容充電的時(shí)間，也就是MOSFET從關(guān)斷到充分導(dǎo)通的過(guò)渡時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)，MOSFET處于飽和狀態(tài)（放大區(qū)），管子將同時(shí)承受較大的電壓和電流，從而引起較大的功耗。
但是RG如果取得太小或者直接短路的話，在驅(qū)動(dòng)電壓到來(lái)的一瞬間，由于寄生電容上的電壓為零，前級(jí)需要流過(guò)一個(gè)很大的電流，造成對(duì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的沖擊。
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