MOS管(MOSFET)基礎知識:結構,特性,驅動(dòng)電路分析-KIA MOS管

MOS管(MOSFET)基礎知識：結構,特性,驅動(dòng)電路

下面是對MOSFET及MOSFET驅動(dòng)電路基礎的一點(diǎn)總結，其中參考了一些資料。包括MOS管的介紹，特性，驅動(dòng)。

1，MOS管種類(lèi)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(lèi)型，但實(shí)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(kāi)關(guān)電源和馬達驅動(dòng)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(gè)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動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)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(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅動(dòng)感性負載（如馬達），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，在集成電路芯片內部通常是沒(méi)有的。

2，MOS管導通特性 導通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當于開(kāi)關(guān)閉合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì )導通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅動(dòng)），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(huì )導通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅動(dòng)）。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動(dòng)，但由于導通電阻大，價(jià)格貴，替換種類(lèi)少等原因，在高端驅動(dòng)中，通常還是使用NMOS。

3，MOS開(kāi)關(guān)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(huì )在這個(gè)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(huì )減小導通損耗?，F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(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，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)損失比導通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)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?？s短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內的開(kāi)關(guān)次數。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。

4，MOS管驅動(dòng) 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(gè)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管的驅動(dòng)，實(shí)際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個(gè)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(huì )比較大。選擇/設計MOS管驅動(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，普遍用于高端驅動(dòng)的NMOS，導通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅動(dòng)的MOS管導通時(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)系統里，要得到比VCC大的電壓，就要專(zhuān)門(mén)的升壓電路了。很多馬達驅動(dòng)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動(dòng)MOS管。

上邊說(shuō)的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓，設計時(shí)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在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里，但在12V汽車(chē)電子系統里，一般4V導通就夠用了。

MOS管簡(jiǎn)介:MOS管(MOSFET)基礎知識

在講MOS管之前，我們來(lái)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(dòng)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(dòng)，自由電子與自由空穴復合形成空間電荷區，也就是我們常說(shuō)的耗盡層。

再做個(gè)筆記：耗盡層中沒(méi)有自由移動(dòng)的導電粒子。

PN結的結電容的充電過(guò)程，實(shí)際上可以近似地看做對耗盡層復合的自由帶電粒子進(jìn)行補充。

外加電壓：

當PN結外接正偏電壓高于PN結兩端勢壘區的電壓時(shí)，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(kāi)始介紹MOS管，以增強型N-MOSFET為例子進(jìn)行講解。

增強型N-MOSFET，全稱(chēng)：N溝道增強型絕緣柵場(chǎng)效應管，在講解其結構前，請讀者記住幾個(gè)關(guān)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(gè)N型半導體區域并引兩個(gè)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(gè)金屬電極作為柵極G。

其結構特征可解釋為以下幾點(diǎn)：

①由于N型半導體直接加在P型半導體襯底上，兩個(gè)N區與P區之間會(huì )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(chǎng)作用。

③柵極G外加電場(chǎng)后，吸引P型半導體中的自由電子，同時(shí)填充耗盡層，形成反型層導電溝道，連接兩個(gè)N型半導體區域，使得增強型N-MOSFET導通。

④ 工藝上制作N-MOSFET時(shí)，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型半導體區之間有一個(gè)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(gè)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(shí)質(zhì)上為形成反型層而吸引的電子。

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