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MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識:結(jié)構(gòu),特性,驅(qū)動電路分析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-10-15 

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MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識:結(jié)構(gòu),特性,驅(qū)動電路分析-KIA MOS管



MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識:結(jié)構(gòu),特性,驅(qū)動電路

下面是對MOSFET及MOSFET驅(qū)動電路基礎(chǔ)的一點總結(jié),其中參考了一些資料。包括MOS管的介紹,特性,驅(qū)動。


1,MOS管種類和結(jié)構(gòu) 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種類型,但實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。所以開關(guān)電源和馬達驅(qū)動的應用中,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(shè)計或選擇驅(qū)動電路的時候要麻煩一些,但沒有辦法避免,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寄生二極管。這個叫體二極管,在驅(qū)動感性負載(如馬達),這個二極管很重要。順便說一句,體二極管只在單個的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒有的。


2,MOS管導通特性 導通的意思是作為開關(guān),相當于開關(guān)閉合。 NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會導通,適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會導通,適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動中,通常還是使用NMOS。


3,MOS開關(guān)管損失 不管是NMOS還是PMOS,導通后都有導通電阻存在,這樣電流就會在這個電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導通損耗。選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。現(xiàn)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在導通和截止的時候,一定不是在瞬間完成的。


MOS兩端的電壓有一個下降的過程,流過的電流有一個上升的過程,在這段時間內(nèi),MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開關(guān)損失。通常開關(guān)損失比導通損失大得多,而且開關(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。縮短開關(guān)時間,可以減小每次導通時的損失;降低開關(guān)頻率,可以減小單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開關(guān)損失。


4,MOS管驅(qū)動 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。這個很容易做到,但是,我們還需要速度。 在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動,實際上就是對電容的充放電。對電容的充電需要一個電流,因為對電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會比較大。選擇/設(shè)計MOS管驅(qū)動時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(qū)動的NMOS,導通時需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達驅(qū)動器都集成了電荷泵,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(qū)動MOS管。


上邊說的4V或10V是常用的MOS管的導通電壓,設(shè)計時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(xiàn)在也有導通電壓更小的MOS管用在不同的領(lǐng)域里,但在12V汽車電子系統(tǒng)里,一般4V導通就夠用了。


MOS管簡介:MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識


在講MOS管之前,我們來回憶一下半導體材料。如下圖:


MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識


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


MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識


由于雜質(zhì)半導體中有可自由移動的多子,當N型半導體跟P型半導體相接觸,多子發(fā)生擴散運動,自由電子與自由空穴復合形成空間電荷區(qū),也就是我們常說的耗盡層。


再做個筆記:耗盡層中沒有自由移動的導電粒子。


PN結(jié)的結(jié)電容的充電過程,實際上可以近似地看做對耗盡層復合的自由帶電粒子進行補充。


MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識


外加電壓:


當PN結(jié)外接正偏電壓高于PN結(jié)兩端勢壘區(qū)的電壓時,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(jié)外接反偏電壓,耗盡層擴大,電路截止。


MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識


下文開始介紹MOS管,以增強型N-MOSFET為例子進行講解。


增強型N-MOSFET,全稱:N溝道增強型絕緣柵場效應管,在講解其結(jié)構(gòu)前,請讀者記住幾個關(guān)鍵詞:


① N溝道


② 絕緣柵


③ 增強型


④ 體二極管


MOS管(MOSFET)基礎(chǔ)知識



N溝道增強型MOSFET的結(jié)構(gòu)可視為:在P型半導體襯底上,制作兩個N型半導體區(qū)域并引兩個金屬電極,作為源極S與漏極D;并在P襯底上制作一層SiO2絕緣層,另外引一個金屬電極作為柵極G。


其結(jié)構(gòu)特征可解釋為以下幾點:

①由于N型半導體直接加在P型半導體襯底上,兩個N區(qū)與P區(qū)之間會形成耗盡層。


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,只有電場作用。


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


④ 工藝上制作N-MOSFET時,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(qū)之間有一個PN結(jié),該PN結(jié)即為N-MOSFET的體二極管。


⑤增強型N-MOSFET各電極之間各有一個寄生電容,其中源極S與漏極D之間的電容Cds為其輸出電容,結(jié)構(gòu)上為體二極管位置PN結(jié)的結(jié)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,實質(zhì)上為形成反型層而吸引的電子。





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