,即金属(Metal)—氧化物(Oxide)—半导体(Semiconductor)场效应晶体管,是一种应用场效应原理工作的半导体器件。
和普通双极型晶体管相比,MOS管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大、功耗小、易于集成等优势,在开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通信电源等高频电源领域得到了越来越普遍的应用。
场效应管分为结型(JFET)和金属-氧化物-半导体型(MOSFET)两种类型。
MOS管是FET的一种(另一种为JFET结型场效应管),主要有两种结构及形式:N沟道型和P沟道型。
根据场效应原理的不同,分为耗尽型(当栅压为零时有较大漏极电流)和增强型(当栅压为零,漏极电流也为零,必须再加一定的栅压之后才有漏极电流)两种。
因此,MOS管可以被制构成P沟道增强型、P沟道耗尽型、N沟道增强型、N沟道耗尽型4种类型产品。
一般主板上使用最多的是增强型MOS管,NMOS最多,一般多用在信号控制上,其次是PMOS,多用在电源开关等方面,耗尽型几乎不用。
每一个MOS管都提供有三个电极:Gate栅极(表示为“G”)、Source源极(表示为“S”)、Drain漏极(表示为“D”)。接线时,对于N沟道的电源输入为D,输出为S;P沟道的电源输入为S,输出为D;且增强型、耗尽型的接法基本一样。
从上图能够准确的看出NMOS和PMOS寄生二极管方向不一样,NMOS是由S极→D极,PMOS是由D极→S极。
寄生二极管和普通二极管一样,正接会导通,反接截止,对于NMOS,当S极接正,D极接负,寄生二极管会导通,反之截止;对于PMOS管,当D极接正,S极接负,寄生二极管导通,反之截止。
某些应用场合,也会选择走体二极管,以降低DS之间的压降(体二极管的压降是比MOS的导通压降大很多的),同时也要关注体二极管的过电流能力。
当满足MOS管的导通条件时,MOS管的D极和S极会导通,这样一个时间段体二极管是截止状态,因为MOS管的导通内阻极小,一般mΩ级别,流过1A级别的电流,也才mV级别,所以D极和S极之间的导通压降很小,不足以使寄生二极管导通,这点需要非常注意。
N沟道增强型MOS管在P型半导体上生成一层SiO2薄膜绝缘层,然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区,从N型区引出电极(漏极D、源极S);在源极和漏极之间的SiO2绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G;P型半导体称为衬底,用符号B表示。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的,所以NMOS又被称为绝缘栅型场效应管。
当栅极G和源极S之间不加任何电压,即VGS=0时,由于漏极和源极两个N+型区之间隔有P型衬底,相当于两个背靠背连接的PN结,它们之间的电阻高达1012Ω,即D、S之间不具备导电的沟道,所以无论在漏、源极之间加何种极性的电压,都不可能会产生漏极电流ID。
当将衬底B与源极S短接,在栅极G和源极S之间加正电压,即VGS>0时,如上图所示,则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下,P衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动,电子受电场的吸引向衬底表面运动,与衬底表面的空穴复合,形成了一层耗尽层。
如果进一步提升VGS电压,使VGS达到某一电压VT时,P衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽,而自由电子大量地被吸引到表面层,由量变到质变,使表面层变成了自由电子为多子的N型层,称为“反型层”,如下图所示。
反型层将漏极D和源极S两个N+型区相连通,构成了漏、源极之间的N型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的VGS值称为阈值电压或开启电压,用VGS(th)表示。显然,只有VGS>VGS(th)时才有沟道,而且VGS越大,沟道越厚,沟道的导通电阻越小,导电能力越强;“增强型”一词也由此得来。
在VGS>VGS(th)的条件下,如果在漏极D和源极S之间加上正电压VDS,导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区,因为沟道有一定的电阻,所以沿着沟道产生电压降,使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小,靠近漏区一端的电压VGD最小,其值为VGD=VGS-VDS,相应的沟道最薄;靠近源区一端的电压最大,等于VGS,相应的沟道最厚。
这样就使得沟道厚度不再是均匀的,整个沟道呈倾斜状。随着VDS的增大,靠近漏区一端的沟道越来越薄。
当VDS增大到某一临界值,使VGD≤VGS(th)时,漏端的沟道消失,只剩下耗尽层,把这样的一种情况称为沟道“预夹断”,如下图(a)所示。继续增大VDS[即VDS>VGS-VGS(th)],夹断点向源极方向挪动,如下图(b)所示。
尽管夹断点在移动,但沟道区(源极S到夹断点)的电压降保持不变,仍等于VGS-VGS(th)。因此,VDS多余部分电压[VDS-(VGS-VGS(th))]全部降到夹断区上,在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区,当电子到达夹断区边缘时,受夹断区强电场的作用,会很快的漂移到漏极。
对NMOS来说,Vg-VsVgs(th),即G极和S极的压差大于一定值,MOS管会导通,但是也不能大太多,否则烧坏MOS管,开启电压和其他参数可以看具体器件的SPEC。
对PMOS来说,Vs-VgVgs(th),即S极和G极的压差大于一定值,MOS管会导通,同样的,具体参数看器件的SPEC。
1、只容许从信号源取少量电流的情况下,选用MOS管;在信号电压较低,有容许从信号源取较多电流的条件下,选用三极管。
2、MOS管是单极性器件(靠一种多数载流子导电),三极管是双极性器件(既有多数载流子,也要少数载流子导电)。
3、有些MOS管的源极和漏极可以互换运用,栅极也可正可负,灵活性比三极管好。
6、MOS管常用来作为电源开关,以及大电流开关电路、高频高速电路中,三极管常用来数字电路开关控制。
MOS管的输入阻抗很大,容易受到外界信号的干扰,只要少量的静电,就能使G-S极间等效电容两端产生很高的电压,如果不及时把静电释放掉,两端的高压容易使MOS管产生误动作,甚至有可能击穿G-S极,起到一个固定电平的作用。
2、防止震荡,一般单片机的I/O输出口都会带点杂散电感,在电压突变的情况下,可能与栅极电容形成LC震荡,串联电阻可以增大阻尼减小震荡效果。
关注Vds最大导通电压和Vgs最大耐压,实际使用中,不能超过这个值,否则MOS管会损坏。
关注导通电压Vgs(th),一般MOS管都是用单片机来控制,根据单片机GPIO的电平来选择正真适合导通阈值的MOS管,并且尽量留有一定的余量,以确保MOS可以正常开关。
关注ID电流,这个值代表了NMOS管的能流过多大电流,反应带负载的能力,超过这个值,MOS管也会损坏。
功率损耗要关注以下几个参数,包括热阻、温度。热阻指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值,单位是℃/W或者是K/W,热阻的公式为ThetaJA = (Tj-Ta)/P,和功率和环境和温度都有关系。
导通内阻关注NMOS的Rds(on)参数,导通内阻越小,NMOS管的损耗越小,一般NMOS管的导通内阻都是在mΩ级别。
MOS作为开关器件,就会有开关时间概念,在高速电路中,尽可能选择输入、输出电容Ciss&Coss小、开关时间Ton&Toff短的MOS管,以保证数据通信正常。
根据PCB板的尺寸,选择正真适合的NMOS管尺寸,在板载面积有限的情况下,尽可能选择小封装;尽可能地选择常见封装,以备后续选择正真适合的替代料。