nmos和pmos導(dǎo)通條件-詳解nmos和pmos導(dǎo)通電路圖及區(qū)別-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-06-08
NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思為N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體，而擁有這種結(jié)構(gòu)的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。 MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路，由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路，由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補(bǔ)MOS電路，即CMOS電路。
PMOS是指n型襯底、p溝道，靠空穴的流動(dòng)運(yùn)送電流的MOS管。
P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低，因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對(duì)值一般偏高，要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性，與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過(guò)程長(zhǎng)，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在NMOS電路（見(jiàn)N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路）出現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是，因PMOS電路工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。
在實(shí)際項(xiàng)目中，我們基本都用增強(qiáng)型mos管，分為N溝道和P溝道兩種。我們常用的是NMOS，因?yàn)槠鋵?dǎo)通電阻小，且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到，漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如馬達(dá)），這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句，體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。
NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。 MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，損失也越大。 導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大?？s短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
跟雙極性晶體管相比，一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。這個(gè)很容易做到，但是，我們還需要速度。 在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS，GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)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(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里，要得到比VCC大的電壓，就要專門(mén)的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
MOS與NMOS兩種增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)電路作了詳細(xì)的介紹， 并且還提到過(guò)一種廣為流傳的說(shuō)法：相對(duì)于NMOS管，PMOS管的溝道導(dǎo)通電阻更大、速度更慢、成本更高等，還是從頭講起吧！
如果讀者有一定的電子技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的話，對(duì)NMOS管開(kāi)關(guān)電路的使用場(chǎng)合肯定是如數(shù)家珍，幾乎所有的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)涠计蛴谑褂肗MOS管（而不是PMOS管），如正激、反激、推挽、半橋、全橋等拓?fù)?，NMOS管的應(yīng)用電路案例真心不要太多。
可以看看國(guó)際整流器MOS管的分類，如下圖所示：
除兩個(gè)圈所標(biāo)注的內(nèi)容是PMOS管外，其它都是NMOS管，并且NMOS管在電壓檔次上比PMOS管要細(xì)分得多，從側(cè)面可以說(shuō)明NMOS管的應(yīng)用場(chǎng)合比PMOS要大得多（因?yàn)閼?yīng)用多，所以需求多，繼而型號(hào)多），如果你粗略地統(tǒng)計(jì)一下PMOS與NMOS型號(hào)的數(shù)量，NMOS管絕對(duì)獨(dú)占鰲頭。
有人說(shuō)：應(yīng)該是PMOS管在使用的時(shí)候控制電路太過(guò)復(fù)雜，與NMOS管的驅(qū)動(dòng)比較，PMOS還需要額外的三極管，成本太高。那繼續(xù)往下看，如果讀者對(duì)電子技術(shù)足夠感興趣且好奇心總是不一般的話，應(yīng)該對(duì)降壓型BUCK單片開(kāi)關(guān)電源電路有一定的了解，那自然會(huì)遇到類似下圖所示的電路：
這是最常用的BUCK拓?fù)浣祲盒酒牡湫蛻?yīng)用電路，但是有些降壓芯片應(yīng)用電路卻稍微有所不同，如下圖所示：
與LM2596S芯片相比多了一個(gè)BOOST（BST）引腳，一般在該引腳與SW之間串一個(gè)小電容，這是為什么呢？
有經(jīng)驗(yàn)的讀者可能會(huì)說(shuō)：這種芯片是采用同步整流方案（關(guān)于同步整流可參考文章【開(kāi)關(guān)電源（1）之BUCK變換器】，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是用MOS管來(lái)代替續(xù)流二極管，以達(dá)到降低損耗繼而提升轉(zhuǎn)換效率的目的），內(nèi)部是用兩個(gè)NMOS管配合工作的，需要一個(gè)自舉升壓電路，所以才需要外接一個(gè)電容。該芯片開(kāi)關(guān)管結(jié)構(gòu)如下圖所示：
然而同步整流方案與使用NMOS管作為開(kāi)關(guān)管之間沒(méi)有因果關(guān)系，換言之，就算是異步整流方案，芯片也會(huì)偏向于使用NMOS管，如下圖所示：
LM25011就是異步整流方案，該芯片的內(nèi)部開(kāi)關(guān)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
總之一句話：如果內(nèi)部開(kāi)關(guān)管使用場(chǎng)效應(yīng)管，那大多數(shù)是NMOS管，而PMOS管用著少。
在文章《開(kāi)關(guān)電源（1）之BUCK變換器》中詳細(xì)介紹了降壓型BUCK開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?，并且還用下圖做了一次仿真：
用PMOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)切換功能的電路是要多簡(jiǎn)潔就多簡(jiǎn)潔
同樣的現(xiàn)象也存在于BOOST變換器芯片中，BOOST單片升壓芯片典型應(yīng)用電路如下圖所示：
同樣，有些升壓芯片多了一個(gè)BOOST/BST引腳，如下圖所示：
這里要說(shuō)明一下：上圖中芯片外圍接有的PMOS管并不是必須的，因?yàn)锽OOST拓?fù)溆捎谄浔旧淼奶匦?，在芯片不工作時(shí)輸出是無(wú)法關(guān)閉的（輸出電壓略小于輸入電壓），這與BUCK拓?fù)洳煌?，如果需要完全關(guān)閉電壓輸出，必須額外添加一個(gè)PMOS管開(kāi)關(guān)電路，這就是我們?cè)谖恼麻_(kāi)關(guān)介紹的PMOS管電源開(kāi)關(guān)控制電路。
該芯片的內(nèi)部開(kāi)關(guān)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
當(dāng)然，異步整流升壓芯片就沒(méi)必要再弄個(gè)BST引腳了，因?yàn)镹MOS管已經(jīng)是比較理想的架構(gòu)了，我們?cè)谖恼隆堕_(kāi)關(guān)電源（2）之BOOST變換器》中也是用NMOS管來(lái)仿真的，如下圖所示：
前面提到過(guò)，PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS管的導(dǎo)通電阻要大，我們可以找外部參數(shù)盡量相同的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)對(duì)比一下，如下圖所示：
在相同的工藝、耐壓等條件下，NMOS導(dǎo)通電阻為0.036W（W就是歐姆的意思，形狀很像符號(hào)Ω），而PMOS導(dǎo)通電阻要大得多，其值為0.117Ω，當(dāng)然，這并不能作為PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS要大的直接證據(jù)，然而事實(shí)上，在相同的工藝及尺寸面積條件下，PMOS管的導(dǎo)通電阻確實(shí)要比NMOS管要大，這樣PMOS開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗比NMOS要大。
將PMOS管應(yīng)用場(chǎng)合比較少的原因歸結(jié)于P溝道導(dǎo)通電阻更大似乎是個(gè)比較理想的答案，然而我們還是不禁要問(wèn)一下：為什么PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS要大呢？這主要是源自于導(dǎo)通溝道在一個(gè)特性方面的差別：電子遷移率（Electron mobility）。
我們?cè)谖恼隆抖O管》里講解PN結(jié)的時(shí)候，已經(jīng)提到過(guò)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的由來(lái)，P型半導(dǎo)體就是在本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)的元素（如硼元素），其結(jié)構(gòu)如下圖的所示：
在合理的范圍內(nèi)摻入的雜質(zhì)越多，則多數(shù)載流子空穴就更多，P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也似乎將會(huì)變得更好。
相應(yīng)的，N型半導(dǎo)體就是在本征半導(dǎo)體（純凈無(wú)摻雜的）中摻入5價(jià)的元素（如磷元素），其結(jié)構(gòu)如下圖的所示：
同樣的，在合理范圍內(nèi)摻入的雜質(zhì)越多，則多數(shù)載流子電子就更多，N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也因此似乎將會(huì)變得更好，而PMOS管或NMOS管的導(dǎo)通溝道就是P型或N型，這看起來(lái)兩者沒(méi)有太大的區(qū)別，只要控制摻入雜質(zhì)的數(shù)量，就可以控制摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，但實(shí)際上并非這么回事！因?yàn)榘雽?dǎo)體的導(dǎo)電性不僅與載流子（電子或空穴）濃度有關(guān)，還與載流子的遷移率（速度）有關(guān)。
我們從初中物理學(xué)就知道，導(dǎo)體之所以容易導(dǎo)電，是因?yàn)樽杂呻娮颖容^多，而絕緣體很難導(dǎo)電是因?yàn)樽杂呻娮颖容^少，半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性也是類似的。
NMOS管是導(dǎo)電溝道是N型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是電子，當(dāng)半導(dǎo)體外部施加電場(chǎng)時(shí)，載流子電子將按下圖所示的遷移：
載流子電子在由A點(diǎn)到F點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不斷地與晶格原子或雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞，因此運(yùn)動(dòng)軌跡不是直線的，只有一個(gè)平均的遷移方向（細(xì)節(jié)可自行參考相關(guān)文檔），但有一點(diǎn)需要注意的是：載流子電子在遷移過(guò)程中不會(huì)進(jìn)入共價(jià)鍵中，總是在圖所示的“空檔”移動(dòng)，這些地方?jīng)]有共價(jià)鍵位置的束縛力，因此載流子電子的遷移率（速度）比較高。
在《半導(dǎo)體物理學(xué)》中，我們把自由電子存在的空間叫做導(dǎo)帶，而把共價(jià)鍵所在的空間叫做價(jià)帶，很明顯，價(jià)帶中有來(lái)自晶格原子（如硅、鍺）或雜質(zhì)離子（如硼、磷）的束縛力，因此價(jià)帶（共價(jià)鍵）中的電子要跑出來(lái)就必須具備一定的能量（如光或熱），而電子在導(dǎo)帶中則不需要。
PMOS管是導(dǎo)電溝道是P型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是空穴，當(dāng)半導(dǎo)體外部施加電場(chǎng)時(shí)，載流子空穴將按下圖所示的遷移：
空穴移動(dòng)可以看作是電子的反向移動(dòng)，每一次空穴移動(dòng)時(shí)，都可以看成是電子從導(dǎo)帶中跳入到價(jià)帶中（填充某個(gè)空穴），再?gòu)膬r(jià)帶中跳出來(lái)往相鄰的價(jià)帶中移動(dòng)，很明顯，空穴遷移的速度是不如電子遷移速度的，因?yàn)殡娮右坏┨M(jìn)價(jià)帶（共價(jià)鍵）中，就會(huì)受到共價(jià)鍵的束縛力，需要更多的能量激發(fā)才能跳出來(lái)。
你可以將這種遷移方式比作游泳，NMOS管相當(dāng)于在水里游泳，而PMOS管相當(dāng)于在油水相間的泳道中游泳，很明顯，在相同的條件下，在水里游泳的速度會(huì)更快一些，如下圖所示：
電子與空穴遷移率的差別表現(xiàn)之一在場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)速度上，我們?cè)谖恼隆哆壿嬮T(mén)》中已經(jīng)介紹過(guò)，CMOS反相器是由一個(gè)PMOS管與NMOS管來(lái)完成的，如下圖所示：
當(dāng)輸入A=0時(shí)，輸出Y=1，當(dāng)輸入A=1時(shí)，輸出Y=0，由于PMOS管（上側(cè)帶圈圈的）的空穴遷移率比NMOS管的電子遷移率要小，因此，在相同的尺寸條件下，輸出Y的上升速率比下降速率要慢，這樣帶來(lái)的結(jié)果是：開(kāi)關(guān)損耗相應(yīng)會(huì)比NMOS管大一些（關(guān)于“開(kāi)關(guān)損耗”可參考文章【開(kāi)關(guān)電源（1）之BUCK變換器】）。
當(dāng)然，你可以做一個(gè)與NMOS管驅(qū)動(dòng)能力相同的PMOS管，但需要的器件面積可能是NMOS管的2～3倍，這就是錢(qián)吶，而且器件面積會(huì)影響導(dǎo)通電阻、輸入輸出電容，而這些參數(shù)會(huì)影響電路的延遲。
同樣，在相同的尺寸條件下，PMOS管溝道導(dǎo)通電阻比NMOS要大一些，這樣開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗相應(yīng)也會(huì)比NMOS管要大一些
正是因?yàn)檫w移率的差別才有速度與溝道導(dǎo)通電阻的差別，才導(dǎo)致PMOS管的應(yīng)用范圍受到限制，這樣PMOS的市場(chǎng)用量必然不如NMOS管，從工藝上來(lái)講，PMOS管與NMOS管的制造并無(wú)多大不同，但市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的杠桿總是無(wú)處不在的，所以PMOS管比NMOS管貴很大一部分也是由市場(chǎng)決定的（材料成本低并不總意味著價(jià)格低），而不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為：因?yàn)镻MOS管與NMOS管貴，所以應(yīng)用場(chǎng)合少。
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