MOS管基礎(chǔ)及選型指南

MOS管，即金屬（Metal）—氧化物（Oxide）—半導(dǎo)體（Semiconductor）場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種應(yīng)用場(chǎng)效應(yīng)原理工作的半導(dǎo)體器件。

和普通雙極型晶體管相比，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(shì)，在開(kāi)關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、高頻感應(yīng)加熱、高頻逆變焊機(jī)、通信電源等高頻電源領(lǐng)域得到了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。

▉ 場(chǎng)效應(yīng)管分類

場(chǎng)效應(yīng)管分為結(jié)型（JFET）和金屬-氧化物-半導(dǎo)體型（MOSFET）兩種類型。

JFET的英文全稱是Junction Field-Effect Transistor，也分為N溝道和P溝道兩種，在實(shí)際中幾乎不用。

MOSFET英文全稱是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，應(yīng)用廣泛，MOSFET一般稱MOS管。

MOS管是FET的一種（另一種為JFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管），主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：N溝道型和P溝道型。

根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)原理的不同，分為耗盡型（當(dāng)柵壓為零時(shí)有較大漏極電流）和增強(qiáng)型（當(dāng)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(gòu)成P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型、N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型4種類型產(chǎn)品。

一般主板上使用最多的是增強(qiáng)型MOS管，NMOS最多，一般多用在信號(hào)控制上，其次是PMOS，多用在電源開(kāi)關(guān)等方面，耗盡型幾乎不用。

▉ N和P區(qū)分

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”）。接線時(shí)，對(duì)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(qiáng)型、耗盡型的接法基本一樣。

紅色箭頭指向G極的為NMOS，箭頭背向G極的為PMOS

▉ 寄生二極管

由于生產(chǎn)工藝，一般的MOS管會(huì)有一個(gè)寄生二極管，有的也叫體二極管。

紅色標(biāo)注的為體二極管

從上圖可以看出NMOS和PMOS寄生二極管方向不一樣，NMOS是由S極→D極，PMOS是由D極→S極。

寄生二極管和普通二極管一樣，正接會(huì)導(dǎo)通，反接截止，對(duì)于NMOS，當(dāng)S極接正，D極接負(fù)，寄生二極管會(huì)導(dǎo)通，反之截止；對(duì)于PMOS管，當(dāng)D極接正，S極接負(fù)，寄生二極管導(dǎo)通，反之截止。

某些應(yīng)用場(chǎng)合，也會(huì)選擇走體二極管，以降低DS之間的壓降（體二極管的壓降是比MOS的導(dǎo)通壓降大很多的），同時(shí)也要關(guān)注體二極管的過(guò)電流能力。

當(dāng)滿足MOS管的導(dǎo)通條件時(shí)，MOS管的D極和S極會(huì)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候體二極管是截止?fàn)顟B(tài)，因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通內(nèi)阻極小，一般mΩ級(jí)別，流過(guò)1A級(jí)別的電流，也才mV級(jí)別，所以D極和S極之間的導(dǎo)通壓降很小，不足以使寄生二極管導(dǎo)通，這點(diǎn)需要特別注意。

▉ MOS管工作原理（以N溝道增強(qiáng)型為例）

N溝道增強(qiáng)型MOS管在P型半導(dǎo)體上生成一層SiO2薄膜絕緣層，然后用光刻工藝擴(kuò)散兩個(gè)高摻雜的N型區(qū)，從N型區(qū)引出電極（漏極D、源極S）；在源極和漏極之間的SiO2絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵極G；P型半導(dǎo)體稱為襯底，用符號(hào)B表示。由于柵極與其它電極之間是相互絕緣的，所以NMOS又被稱為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。

當(dāng)柵極G和源極S之間不加任何電壓，即VGS=0時(shí)，由于漏極和源極兩個(gè)N+型區(qū)之間隔有P型襯底，相當(dāng)于兩個(gè)背靠背連接的PN結(jié)，它們之間的電阻高達(dá)1012Ω，即D、S之間不具備導(dǎo)電的溝道，所以無(wú)論在漏、源極之間加何種極性的電壓，都不會(huì)產(chǎn)生漏極電流ID。

N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)將襯底B與源極S短接，在柵極G和源極S之間加正電壓，即VGS＞0時(shí)，如上圖所示，則在柵極與襯底之間產(chǎn)生一個(gè)由柵極指向襯底的電場(chǎng)。在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，P襯底表面附近的空穴受到排斥將向下方運(yùn)動(dòng)，電子受電場(chǎng)的吸引向襯底表面運(yùn)動(dòng)，與襯底表面的空穴復(fù)合，形成了一層耗盡層。

如果進(jìn)一步提高VGS電壓，使VGS達(dá)到某一電壓VT時(shí)，P襯底表面層中空穴全部被排斥和耗盡，而自由電子大量地被吸引到表面層，由量變到質(zhì)變，使表面層變成了自由電子為多子的N型層，稱為“反型層”，如下圖所示。

反型層將漏極D和源極S兩個(gè)N+型區(qū)相連通，構(gòu)成了漏、源極之間的N型導(dǎo)電溝道。把開(kāi)始形成導(dǎo)電溝道所需的VGS值稱為閾值電壓或開(kāi)啟電壓，用VGS（th）表示。顯然，只有VGS＞VGS（th）時(shí)才有溝道，而且VGS越大，溝道越厚，溝道的導(dǎo)通電阻越小，導(dǎo)電能力越強(qiáng)；“增強(qiáng)型”一詞也由此得來(lái)。

耗盡層與反型層產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)示意圖

在VGS＞VGS（th）的條件下，如果在漏極D和源極S之間加上正電壓VDS，導(dǎo)電溝道就會(huì)有電流流通。漏極電流由漏區(qū)流向源區(qū)，因?yàn)闇系烙幸欢ǖ碾娮?，所以沿著溝道產(chǎn)生電壓降，使溝道各點(diǎn)的電位沿溝道由漏區(qū)到源區(qū)逐漸減小，靠近漏區(qū)一端的電壓VGD最小，其值為VGD=VGS－VDS，相應(yīng)的溝道最薄；靠近源區(qū)一端的電壓最大，等于VGS，相應(yīng)的溝道最厚。

這樣就使得溝道厚度不再是均勻的，整個(gè)溝道呈傾斜狀。隨著VDS的增大，靠近漏區(qū)一端的溝道越來(lái)越薄。

當(dāng)VDS增大到某一臨界值，使VGD≤VGS（th）時(shí)，漏端的溝道消失，只剩下耗盡層，把這種情況稱為溝道“預(yù)夾斷”，如下圖（a）所示。繼續(xù)增大VDS[即VDS＞VGS－VGS（th）]，夾斷點(diǎn)向源極方向移動(dòng)，如下圖（b）所示。

盡管夾斷點(diǎn)在移動(dòng)，但溝道區(qū)（源極S到夾斷點(diǎn)）的電壓降保持不變，仍等于VGS－VGS（th）。因此，VDS多余部分電壓[VDS－（VGS－VGS（th））]全部降到夾斷區(qū)上，在夾斷區(qū)內(nèi)形成較強(qiáng)的電場(chǎng)。這時(shí)電子沿溝道從源極流向夾斷區(qū)，當(dāng)電子到達(dá)夾斷區(qū)邊緣時(shí)，受夾斷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用，會(huì)很快的漂移到漏極。

預(yù)夾斷及夾斷區(qū)形成示意圖

▉ 導(dǎo)通條件

MOS管是壓控型，導(dǎo)通由G和S極之間壓差決定。

對(duì)NMOS來(lái)說(shuō)，Vg-Vs>Vgs(th)，即G極和S極的壓差大于一定值，MOS管會(huì)導(dǎo)通，但是也不能大太多，否則燒壞MOS管，開(kāi)啟電壓和其他參數(shù)可以看具體器件的SPEC。

對(duì)PMOS來(lái)說(shuō)，Vs-Vg>Vgs(th)，即S極和G極的壓差大于一定值，MOS管會(huì)導(dǎo)通，同樣的，具體參數(shù)看器件的SPEC。

▉ 與三極管的區(qū)別

三極管是電流控制，MOS管是電壓控制，主要有如下的區(qū)別：

1、只容許從信號(hào)源取少量電流的情況下，選用MOS管；在信號(hào)電壓較低，有容許從信號(hào)源取較多電流的條件下，選用三極管。

2、MOS管是單極性器件（靠一種多數(shù)載流子導(dǎo)電），三極管是雙極性器件（既有多數(shù)載流子，也要少數(shù)載流子導(dǎo)電）。

3、有些MOS管的源極和漏極可以互換運(yùn)用，柵極也可正可負(fù)，靈活性比三極管好。

4、MOS管應(yīng)用普遍，可以在很小電流和很低電壓下工作。

5、MOS管輸入阻抗大，低噪聲，MOS管較貴，三極管的損耗大。

6、MOS管常用來(lái)作為電源開(kāi)關(guān)，以及大電流開(kāi)關(guān)電路、高頻高速電路中，三極管常用來(lái)數(shù)字電路開(kāi)關(guān)控制。

▉ G和S極串聯(lián)電阻的作用

MOS管的輸入阻抗很大，容易受到外界信號(hào)的干擾，只要少量的靜電，就能使G-S極間等效電容兩端產(chǎn)生很高的電壓，如果不及時(shí)把靜電釋放掉，兩端的高壓容易使MOS管產(chǎn)生誤動(dòng)作，甚至有可能擊穿G-S極，起到一個(gè)固定電平的作用。

▉ G極串聯(lián)電阻的作用

MOS管是壓控型，有的情況下，為什么還需要在G極串聯(lián)一個(gè)電阻呢？

1、減緩Rds從無(wú)窮大到Rds(on)。

2、防止震蕩，一般單片機(jī)的I/O輸出口都會(huì)帶點(diǎn)雜散電感，在電壓突變的情況下，可能與柵極電容形成LC震蕩，串聯(lián)電阻可以增大阻尼減小震蕩效果。

3、減小柵極充電峰值電流。

▉ 選型要點(diǎn)

1、電壓值

關(guān)注Vds最大導(dǎo)通電壓和Vgs最大耐壓，實(shí)際使用中，不能超過(guò)這個(gè)值，否則MOS管會(huì)損壞。

關(guān)注導(dǎo)通電壓Vgs(th)，一般MOS管都是用單片機(jī)進(jìn)行控制，根據(jù)單片機(jī)GPIO的電平來(lái)選擇合適導(dǎo)通閾值的MOS管，并且盡量留有一定的余量，以確保MOS可以正常開(kāi)關(guān)。

2、電流值

關(guān)注ID電流，這個(gè)值代表了NMOS管的能流過(guò)多大電流，反應(yīng)帶負(fù)載的能力，超過(guò)這個(gè)值，MOS管也會(huì)損壞。

3、功率損耗

功率損耗需要關(guān)注以下幾個(gè)參數(shù)，包括熱阻、溫度。熱阻指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí)，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值，單位是℃/W或者是K/W，熱阻的公式為ThetaJA = (Tj-Ta)/P，和功率和環(huán)境溫度都有關(guān)系。

4、導(dǎo)通內(nèi)阻

導(dǎo)通內(nèi)阻關(guān)注NMOS的Rds(on)參數(shù)，導(dǎo)通內(nèi)阻越小，NMOS管的損耗越小，一般NMOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻都是在mΩ級(jí)別。

5、開(kāi)關(guān)時(shí)間

MOS作為開(kāi)關(guān)器件，就會(huì)有開(kāi)關(guān)時(shí)間概念，在高速電路中，盡可能選擇輸入、輸出電容Ciss&Coss小、開(kāi)關(guān)時(shí)間Ton&Toff短的MOS管，以保證數(shù)據(jù)通信正常。

6、封裝

根據(jù)PCB板的尺寸，選擇合適的NMOS管尺寸，在板載面積有限的情況下，盡可能選擇小封裝；盡量選擇常見(jiàn)封裝，以備后續(xù)選擇合適的替代料。