MOS管種類(lèi)與MOS管最全知識圖文分享-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-02-22
MOS管種類(lèi):MOS管是FET的一種（另一種為JFET結型場(chǎng)效應管），主要有兩種結構形式：N溝道型和P溝道型；又根據場(chǎng)效應原理的不同，分為耗盡型（當柵壓為零時(shí)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(lèi)型產(chǎn)品。MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等優(yōu)勢，在開(kāi)關(guān)電源、鎮流器、高頻感應加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領(lǐng)域得到了越來(lái)越普遍的應用。
每一個(gè)MOS管都提供有三個(gè)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(xiàn)時(shí)，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。
從結構圖可發(fā)現，N溝道型場(chǎng)效應管的源極和漏極接在N型半導體上，而P溝道型場(chǎng)效應管的源極和漏極則接在P型半導體上。場(chǎng)效應管輸出電流由輸入的電壓（或稱(chēng)場(chǎng)電壓）控制，其輸入的電流極小或沒(méi)有電流輸入，使得該器件有很高的輸入阻抗，這也是MOS管被稱(chēng)為場(chǎng)效應管的重要原因。
在MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于SiO2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個(gè)電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場(chǎng)從而導致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時(shí)的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。
這就可以得出如下結論：
1.MOS 管是一個(gè)由改變電壓來(lái)控制電流的器件，所以是電壓器件。
2.MOS 管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。
1.導通特性
導通的意義是作為開(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，適用于源極接地時(shí)的情況（低端驅動(dòng)），只需柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就會(huì )導通，適用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅動(dòng)）。
2.損失特性
不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，電流就會(huì )被電阻消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。小功率MOS管導通電阻一般在幾毫歐至幾十毫歐左右，選擇導通電阻小的MOS管會(huì )減小導通損耗。
MOS管在進(jìn)行導通和截止時(shí)，兩端的電壓有一個(gè)降落過(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，這稱(chēng)之為開(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越大，構成的損失也就越大。縮短開(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。
3.寄生電容驅動(dòng)特性
跟雙極性晶體管相比，MOS管需要GS電壓高于一定的值才能導通，而且還要求較快的導通速度。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)，理論上就是對電容的充放電。
對電容的充電需要一個(gè)電流，由于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)第一個(gè)要留意的是可提供瞬間短路電流的大小；第二個(gè)要留意的是，普遍用于高端驅動(dòng)的NMOS，導通時(shí)需要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)柵極導通電壓要比VCC高4V或10V，而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。
三極管全稱(chēng)為半導體三極管，它的主要作用就是將微小的信號中止放大。MOS管與三極管有著(zhù)許多相近的地方，也有許多不同之處。
首先是開(kāi)關(guān)速度的不同。三極管工作時(shí)，兩個(gè)PN結都會(huì )感應出電荷，當開(kāi)關(guān)管處于導通狀態(tài)時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，假設這時(shí)三極管截至，PN結感應的電荷要恢復到平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程需求時(shí)間。而MOS由于工作方式不同，不需要恢復時(shí)間，因此可以用作高速開(kāi)關(guān)管。
其次是控制方式不同。MOS管是電壓控制元件，而三級管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應選用MOS管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用三極管。
接著(zhù)是載流子種類(lèi)數量不同。電力電子技術(shù)中提及的單極器件是指只靠一種載流子導電的器件，雙極器件是指靠?jì)煞N載流子導電的器件。MOS管只應用了一種多數載流子導電，所以也稱(chēng)為單極型器件；而三極管是既有多數載流子，也應用少數載流子導電；是為雙極型器件。
第三是靈活性不同。有些MOS管的源極和漏極可以互換運用，柵壓也可正可負，靈活性比三極管好。
第四是集成能力不同。MOS管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多MOS管集成在一塊硅片上，因此MOS管在大范圍集成電路中得到了普遍的應用。
第五是輸入阻抗和噪聲能力不同。MOS管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，被普遍應用于各種電子設備中，特別用MOS管做整個(gè)電子設備的輸入級，可以獲得普通三極管很難達到的性能。
最后是功耗損耗不同。同等情況下，采用MOS管時(shí)，功耗損耗低；而選用三極管時(shí)，功耗損耗要高出許多。
當然，在使用成本上，MOS管要高于三極管，因此根據兩種元件的特性，MOS管常用于高頻高速電路、大電流場(chǎng)所，以及對基極或漏極控制電流比較敏感的中央區域；而三極管則用于低成本場(chǎng)所，達不到效果時(shí)才會(huì )考慮替換選用MOS管。
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS絕緣柵型場(chǎng)效應管組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和功率晶體管（GTR）的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。
GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動(dòng)電流較大；MOSFET驅動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)功率小而飽和壓降低。
常見(jiàn)的IGBT又分為單管和模塊兩種，單管的外觀(guān)和MOS管有點(diǎn)相像，常見(jiàn)生產(chǎn)廠(chǎng)家有富士電機、仙童半導體等，模塊產(chǎn)品一般為內部封裝了數個(gè)單個(gè)IGBT，由內部聯(lián)接成適合的電路。
由于IGBT原理為先開(kāi)通MOS管，再驅動(dòng)三極管開(kāi)通，該原理決定了IGBT的開(kāi)關(guān)速度比MOS管慢，但比三極管快。制造成本上，IGBT要比MOS管高很多，這是因為IGBT的制作多了薄片背面離子注入、薄片低溫退火（如激光退火）工序，而這兩個(gè)工序都需要專(zhuān)門(mén)針對薄片工藝的昂貴機臺。
在低壓下，低壓MOS管的導通壓降通常都控制在0.5V以下（基本不會(huì )超過(guò)1V的），比如IR4110低壓MOS管，其內阻為4mΩ，給它100A的導通電流，導通壓降是0.4V左右。
電流導通壓降低，意味著(zhù)導通損耗小，同時(shí)兼具開(kāi)關(guān)損耗小的特性，因此，IGBT相對MOS管在電性能沒(méi)有優(yōu)勢，加上在性?xún)r(jià)比上MOS管更具優(yōu)勢，所以基本上看不到低壓IGBT。
MOS管的最大劣勢是隨著(zhù)耐壓升高，內阻迅速增大，所以高壓下內阻很大，致使MOS管不能做大功率應用。
在高壓領(lǐng)域，MOS管的開(kāi)關(guān)速度仍是最快的，但高壓下MOS管的導通壓降很大（內阻隨耐壓升高而迅速升高），即便是耐壓600V的COOLMOS管，導通電阻可高達幾歐姆，致使耐流很小。
而IGBT在高耐壓下，導通壓降幾乎沒(méi)明顯增大（IGBT的導通電流通過(guò)三極管處理），所以高壓下IGBT優(yōu)勢明顯，既有高開(kāi)關(guān)速度，又有三極管的大電流特性；另外，在新一代IGBT產(chǎn)品中，開(kāi)關(guān)速度高（納秒級），導通壓降、開(kāi)關(guān)損耗等也有了長(cháng)足進(jìn)步，使得IGBT耐脈沖電流沖擊力更強，且耐壓高、驅動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)更加突出。
在需要耐壓超過(guò)150V的使用條件下，MOS管已經(jīng)基本沒(méi)有優(yōu)勢。以典型的IRFS4115與第四代IGBT型SKW30N60對比中，在150V、20A連續工況下運行，前者開(kāi)關(guān)損耗為6mJ/pulse，而后者只有1.15mJ/pulse，不足前者的1/5；若用極限工作條件，二者功率負荷相差將更懸殊。
目前，諸如冶金、鋼鐵、高速鐵路、船舶等有大功率需求的領(lǐng)域已較少見(jiàn)到MOS管，而是廣泛應用IGBT元器件。
總的來(lái)說(shuō)，IGBT更適用于高壓、大電流、低頻率（20KHZ左右）場(chǎng)所，電壓越高，IGBT越有優(yōu)勢，在600v以上，IGBT的優(yōu)勢非常明顯；而MOSFET更適用于低電壓、小電流、低頻率（幾十KHz~幾MHz）領(lǐng)域，電壓越低，MOS管越有優(yōu)勢。
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