點擊：385 發布于：2022-10-20
mos管也稱場效應管，首先考察一個更簡單的器件--MOS電容--能更好的理解MOS管。這個器件有兩個電極，一個是金屬，另一個是extrinsic silicon(外在硅)，他們之間由一薄層二氧化硅分隔開。金屬極就是GATE，而半導體端就是backgate或者body。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric(柵介質)。圖示中的器件有一個輕摻雜P型硅做成的backgate。這個MOS 電容的電特性能通過把backgate接地，gate接不同的電壓來說明。MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導體BACKGATE在WORK FUNCTION上的差異在電介質上產生了一個小電場。在器件中，這個電場使金屬極帶輕微的正電位，P型硅負電位。這個電場把硅中底層的電子吸引到表面來，它同時把空穴排斥出表面。這個電場太弱了，所以載流子濃度的變化非常小，對器件整體的特性影響也非常小。
當MOS電容的GATE相對于BACKGATE正偏置時發生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場加強了，有更多的電子從襯底被拉了上來。同時，空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高，會出現表面的電子比空穴多的情況。由于過剩的電子，硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉被稱為inversion，反轉的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續不斷升高，越來越多的電子在表面積累，channel變成了強反轉。Channel形成時的電壓被稱為閾值電壓Vt。當GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時，不會形成channel。當電壓差超過閾值電壓時，channel就出現了。
MOS管的工作原理
mos管在電路中一般用作電子開關，在開關電源中常用MOS管的漏極開路電路，漏極原封不動地接負載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負載接多高的電壓，都能夠接通和關斷負載電流。是理想的模擬開關器件。這就是MOS管做開關器件的原理。當然MOS管做開關使用的電路形式比較多了。
一、MOS管介紹
1、場效應管（FET）主要包括結型場效應管（JFET）和絕緣柵型場效應管（MOSFET）；絕緣柵型場效應管包括增強型和耗盡型兩種；增強型和耗盡型分別包括N型和P型兩種。我們常用的場效應管一般是指增強型絕緣柵型場效應管，簡稱MOS管。
2、對于較常用的兩種MOS管，N型與P型，一般N型管使用場景更為廣泛。這是因為制造工藝不同，導致P型管的導通電阻大于N型管，且價格更昂貴。P型管與N型管參數也不容易做到對稱，在集成電路中也是一樣，因此在例如推挽這種電路中，上升時間與下降時間會存在區別。
3、上圖是MOS管等效模型，由于制作工藝問題，在3個管腳之間均存在寄生電容，它影響了MOS的開關特性，具體下面講解。
4、如上圖所示，在DS之間存在一個寄生二極管，叫做體二極管，在集成電路中并不存在。當MOS管驅動感性負載時，體二極管可以作為續流二極管存在，驅動感性負載時很重要。
二、MOS管的特性
1、開關特性。MOS管是壓控器件，作為開關時，NMOS只要滿足Vgs>Vgs(th)即可導通，PMOS只要滿足Vgs
2、開關損耗。MOS的損耗主要包括開關損耗和導通損耗，導通損耗是由于導通后存在導通電阻而產生的，一般導通電阻都很小。開關損耗是在MOS由可變電阻區進入夾斷區的過程中，也就是MOS處于恒流區時所產生的損耗。開關損耗遠大于導通損耗。減小損耗通常有兩個方法，一是縮短開關時間，二是降低開關頻率。
3、由壓控所導致的的開關特性。由于制作工藝的限制，NMOS的使用場景要遠比PMOS廣泛，因此在將更適合于高端驅動的PMOS替換成NMOS時便出現了問題。在上圖所示的高端驅動中，當MOS導通時，Vs=Vd=Vdd，此時要保持MOS的導通，就需要Vg>Vdd。在功率驅動電路中，MOS經常開關的是電源電壓，或者說是系統中最高的電壓，此時要保證MOS的導通就需要額外升壓提供Vg。
4、在寬電壓的應用場景中，柵極的控制電壓很多時候是不確定的，為了保證MOS管的安全工作，很多MOS管內置了穩壓管來限制柵極的控制電壓。當驅動電壓大于穩壓管電壓時，會額外增加管子的功耗。如果柵極控制電壓不足時，則會導致管子開關不徹底，也會增加管子功耗。
三、MOS管的驅動
1、圖騰柱驅動。上圖是標準的圖騰柱驅動的電路圖，其實圖騰柱與推挽原理是一樣的，叫法不同而已。使用圖騰柱驅動的目的在于給MOS管提供足夠的灌電流和拉電流。
2、柵極泄放電阻。在不使用圖騰柱驅動時，一般在柵極到地之間加泄放電阻，即上圖中的R3。由于柵源之間寄生電容的存在，當柵極的驅動電壓拉低時，MOS管并不會立即關斷，這個過程不僅影響了MOS的關斷速度，同時也增大了MOS的開關損耗。所以增加柵極泄放電阻用以減小寄生電容的影響。在使用圖騰柱驅動時，由于PNP管的存在，該電阻可以省略。
3、當低壓側驅動高壓側MOS管時，圖騰柱并不能實現功能，因此需要通過自舉電路來實現。仔細分析上圖，相當于采用兩級圖騰柱來驅動MOS管。R2、R3可以調整第一級圖騰柱的開啟電壓；Q3、Q4作為第二級圖騰柱來驅動MOS管，為其提供足夠的電壓與電流；R5、R6、Q5形成負反饋，通過改變第一級圖騰柱的開啟電壓，來對MOS管的柵極電壓進行控制，使其處于可控范圍內，避免出現上一節所講的寬電壓應用環境下的情況。
