MOS管学习

MOS管学习笔记主要内容●MOS管的种类及结构●MOS管的工作原理●MOS管的主要参数●MOS管的驱动MOS 管的种类及结构MOS 管的全称是：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）导电载流子的带电极性N 沟道（电子型）P沟道（空穴型）导电沟道形成机理增强型（E 型）耗尽型（D型）组合共有4种类型分类在实际应用中，只有N 沟道增强型和P 沟道增强型，这两种中比较常用的是NMOS 管，原因是导通电阻小，且容易制造。

结构以一块掺杂浓度较低，电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底，利用扩散的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区。

然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅表面及N+型区的表面上分别安装三个铝电极——栅极g，源极s和漏极d，这样就形成了N沟道增强型MOS管。

符号剖面图（1）Vgs=0，没有导电沟道此时栅源短接，源区，衬底和漏区形成两个背靠背的PN 结，无论Vds 的极性怎样，其中总有一个PN 结是反偏的，所以d,s 之间没有形成导电沟道，MOS 管处于截止状态。

（2）Vgs≥ V GS(th ），出现N 沟道栅源之间加正向电压由栅极指向P 型衬底的电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥形成耗尽层MOS 管的工作原理NMOS 的特性：Vgs 大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动）---s 二氧化硅P 衬底g DD V +N d +b N V GG i d 再增加Vgs 纵向电场将P 区少子（电子）聚集到P 区表面形成源漏极间的N 型导电沟道如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流i d 定义：开启电压V GS(th ）——刚刚产生导电沟道所需的栅源电压Vgs（3）输出特性曲线MOS的输出特性曲线是指在栅源电压Vgs> V GS(th）且恒定的情况下，漏极电流i d与漏源电压Vds之间的关系，可以分为以下4段：a.线性区当Vds很小时，沟道就像一个阻值与Vds无关的固定电阻，此时i d与Vds成线性关系，如图OA段所示b.过渡区随着Vds增大，漏极附近的沟道变薄，沟道电阻增大，曲线逐渐下弯。

当Vds增大到Vdsat(饱和漏源电压)时，漏端处可动电子消失，此时沟道被夹断，如图AB段所示。

线性区和过渡区统称为非饱和区。

c.饱和区当Vds> Vdsat时，沟道夹断点向左移，漏极附近只剩下耗尽区，此时i d 几乎与Vds无关而保持i dsat不变，曲线为水平直线，如图BC段所示。

d.击穿区V ds继续增大到BV ds时，漏结发生雪崩击穿，i d急剧增大，如图CD段所示。

以Vgs 为参考量，可以得到不同Vgs下，漏极电流i d与漏源电压Vds 之间的关系曲线族，即为MOS管的输出特性曲线。

将各曲线的夹断点用虚线连接起来，虚线左侧为可变电阻区，右侧为饱和区。

Vgs< V GS(th）时，称为截止区（4）转移特性漏源电压Vds 一定的条件下，栅源电压Vgs 对漏极电流i d 的控制特性。

可根据输出特性曲线作出移特性曲线。

例：作Vds =10V 的一条转移特性曲线i (mA)D GS =6V u u =5VGS =4Vu GS u =3V GS uDS (V)D i (mA)10V 12341432(V)uGS246U T4种类型的MOSFET特性曲线小结MOS管的主要参数极限参数I D：最大漏源电流。

是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。

MOSFET的工作电流不应超过I D。

此参数会随结温度的上升而有所减额。

I DM：最大脉冲漏源电流。

反映了器件可以处理的脉冲电流的高低，此参数会随结温度的上升而有所减小。

P D：最大耗散功率。

是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。

使用时，场效应管实际功耗应小于P DSM并留有一定余量。

此参数一般会随结温度的上升而有所减额。

V GS：最大栅源电压。

是指栅源间反向电流开始急剧增加时的V GS值T j：最大工作结温。

通常为150℃或175℃，器件设计的工作条件下须确应避免超过这个温度，并留有一定裕量。

T STG：存储温度范围。

静态参数V(BR)DSS：漏源击穿电压。

是指栅源电压V GS为0时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。

加在场效应管上的工作电压必须小于V(BR)DSS。

它具有正温度特性。

故应以此参数在低温条件下的值作为安全考虑。

V(BR)DSS/△T j：漏源击穿电压的温度系数，一般为0.1V/℃。

R DS(on）：在特定的V GS（一般为10V）、结温及漏极电流的条件下，MOSFET导通时漏源间的最大阻抗。

它是一个非常重要的参数，决定了MOSFET导通时的消耗功率。

此参数一般会随结温度的上升而有所增大。

故应以此参数在最高工作结温条件下的值作为损耗及压降计算。

V GS(th)：开启电压（阀值电压）。

当外加栅极控制电压V GS超过V GS(th)时，漏区和源区的表面反型层形成了连接的沟道。

应用中，常将漏极短接条件下I D等于1毫安时的栅极电压称为开启电压。

此参数一般会随结温度的上升而有所降低。

I DSS：饱和漏源电流，栅极电压V GS=0、V DS为一定值时的漏源电流。

一般在微安级。

I GSS：栅源驱动电流或反向电流。

由于MOSFET输入阻抗很大，I GSS一般在纳安级。

动态参数g fs：跨导。

是指漏极输出电流的变化量与栅源电压变化量之比，是栅源电压对漏极电流控制能力大小的量度。

Q g：栅极总充电电量。

MOSFET是电压型驱动器件，驱动的过程就是栅极电压的建立过程，这是通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的。

Q gs：栅源充电电量。

Q gd：栅漏充电电量。

C iss：输入电容，将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容。

C iss= C GD+C GS。

对器件的开启和关断延时有直接的影响。

C oss：输出电容，将栅源短接，用交流信号测得的漏极和源极之间的电容。

C oss= C DS+C GD。

C rss：反向传输电容，在源极接地的情况下，测得的漏极和栅极之间的电容C rss= C GD。

对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数T d(on)：导通延迟时间。

从有输入电压上升到10%开始到V DS（V out）下降到其幅值90%的时间(如下图示)。

T r：上升时间。

输出电压V DS（V out）从90%下降到其幅值10%的时间。

T d(off)：关断延迟时间。

输入电压下降到90%开始到V DS （V out）上升到其关断电压时10%的时间。

T f：下降时间。

输出电压V DS（V out）从10%上升到其幅值90%的时间，参照下图所示。

如果电压超过漏源极限电压将导致器件处在雪崩状态EAS ：单次脉冲雪崩击穿能量，说明MOSFET 所能承受的最大雪崩击穿能量IAR ：雪崩电流EAR ：重复雪崩击穿能量I S ：连续最大续流电流（从源极）I SM ：脉冲最大续流电流（从源极）V SD ：正向导通压降T rr ：反向恢复时间Q rr ：反向恢复充电电量T on ：正向导通时间（基本可以忽略不计）●雪崩击穿参数●体内二极管参数MOS 管的驱动●开关管导通时，驱动电路应能提供足够大的充电电流使栅源电压上升到需要值，保证开关管快速开通且不存在上升沿的高频震荡。

●开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET 栅源间电压保持稳定使其可靠导通。

●关断瞬间驱动电路能提供一个低阻抗通路供MOSFET 栅源间电压快速泻放，保证开关管能快速关断。

●关断期间驱动电路可以提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通。

●驱动电路结构尽量简单，最好有隔离。

在进行驱动电路设计之前，必须先清楚MOS 管的模型、MOS 管的开关过程、MOS 管的栅极电荷以及MOS 管的输入输出电容、跨接电容、等效电容等参数对驱动的影响。

驱动电路的好坏直接影响了电源的工作性能及可靠性，一个好的MOSFET 驱动电路的基本要求是：POWER MOSFET 等效模型POWER MOSFET 寄生参数C iss= C GD+ C GSC oss= C DS+C GDC rss= C GDPOWER MOSFET 导通过程T0~T1：驱动通过R GATE对C gs充电，电压V gs以指数的形式上升T1~T2：V gs达到MOSFET开启电压，MOSFET进入线性区，I d缓慢上升，至T2时刻I d到达饱和或是负载最大电流。

在此期间漏源极之间依然承受近乎全部电压Vdd 。

T2~T3：T2时刻I d达到饱和并维持稳定值，MOS管工作在饱和区，V gs固定不变，电压V ds开始下降。

此期间C gs不再消耗电荷，VDD 开始给Cgd提供放电电流。

T3~T4：电压V ds下降到0V，VDD继续给Cgs充电，直至Vgs=V DD，MOSFET完成导通过程。

说明Vgs的各个阶段的时间跨度同栅极消耗电荷成比例（因△Q = I G△T，而I G在此处为恒流源之输出）。

T0 ~ T2跨度代表了Ciss（V GS+ C GD）所消耗的电荷，对应于器件规格书中提供的参数Qgs(Gate to Source Charge)。

T2 ~ T3跨度代表了C GD（或称为米勒电容）消耗的电荷，对应于器件规格书中提供的参数Qds(Gate to Drain (“Miller”) Charge)。

T3时刻前消耗的所有电荷就是驱动电压为Vdd、电流为Id的MOSFET所需要完全开通的最少电荷需求量。

T3以后消耗的额外电荷并不表示驱动所必须的电荷，只表示驱动电路提供的多余电荷而已。

开关损失：在MOSFET导通的过程中，两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，那么这段时间里，MOS管损失的是电压和电流的乘积，称为开关损失。

导通损耗：MOS管在导通之后，电流在导通电阻上消耗能量，称为导通损耗。

整体特性表现：驱动电量要求：△Q t0 ~ t4= (t4－t0 )IG = VG（CGS + CGD）+ VDDCGD驱动电流要求：IG =△Q t0 ~ t4 /(t4－t0 )≈△Q t0 ~ t3 / (t3－t0 )≈Qg/(Td(on) + Tr)驱动功率要求：Pdrive=∫t4－t0 vg(t)ig(t)≈VG△Q≈VG〔VG（CGS+CGD）+ VDDCGD〕驱动电阻要求：RG = VG / IG一般地可以根据器件规格书提供的如下几个参数作为初期驱动设计的计算假设a) Qg(Total Gate Charge)：作为最小驱动电量要求。

b)相应地可得到最小驱动电流要求为IG ≈Qg/(td(on)+tr)。

c)Pdrive=VG *Qg作为最小驱动功率要求。