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MOS管
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    MOS管的工作原理、結構特點和分類應用
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  •   發布日期: 2021-10-29  瀏覽次數: 4,723

    1.?MOS管工作原理--MOS管簡介

    MOS管又稱場效應管,即在集成電路中絕緣性場效應管。MOS英文全稱為Metal-Oxide-Semiconductor即金屬-氧化物-半導體,確切的說,這個名字描述了集成電路中MOS管的結構,即:在一定結構的半導體器件上,加上二氧化硅和金屬,形成柵極。MOS管的source和drain是可以對調的,都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能,這樣的器件被認為是對稱的。

    2. MOS管工作原理--Mos管的結構特點

    MOS管的內部結構如下圖所示;其導通時只有一種極性的載流子(多子)參與導電,是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同,但結構上有較大區別,小功率MOS管是橫向導電器件,功率MOSFET大都采用垂直導電結構,又稱為VMOSFET,大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

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    其主要特點是在金屬柵極與溝道之間有一層二氧化硅絕緣層,因此具有很高的輸入電阻,該管導通時在兩個高濃度n擴散區間形成n型導電溝道。n溝道增強型MOS管必須在柵極上施加正向偏壓,且只有柵源電壓大于閾值電壓時才有導電溝道產生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加柵壓(柵源電壓為零)時,就有導電溝道產生的n溝道MOS管。

    3. MOS管工作原理--MOS管的特性

    3.1MOS管的輸入、輸出特性

    對于共源極接法的電路,源極和襯底之間被二氧化硅絕緣層隔離,所以柵極電流為0。

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    當VGS

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    3.2MOS管的導通特性

    MOS管作為開關元件,同樣是工作在截止或導通兩種狀態。由于MOS管是電壓控制元件,所以主要由柵源電壓uGS決定其工作狀態。下面以NMOS管為例介紹其特性。

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    圖 (a)為由NMOS增強型管構成的開關電路。

    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(高端驅動)。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由于導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。

    4.?MOS管工作原理

    MOS管的工作原理(以N溝道增強型MOS場效應管)它是利用VGS來控制“感應電荷”的多少,以改變由這些“感應電荷”形成的導電溝道的狀況,然后達到控制漏極電流的目的。在制造管子時,通過工藝使絕緣層中出現大量正離子,故在交界面的另一側能感應出較多的負電荷,這些負電荷把高滲雜質的N區接通,形成了導電溝道,即使在VGS=0時也有較大的漏極電流ID。當柵極電壓改變時,溝道內被感應的電荷量也改變,導電溝道的寬窄也隨之而變,因而漏極電流ID隨著柵極電壓的變化而變化。

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    MOS管的分類

    按溝道材料型和絕緣柵型各分N溝道和P溝道兩種;按導電方式:MOS管又分耗盡型與增強型,所以MOS場效應晶體管分為N溝耗盡型和增強型;P溝耗盡型和增強型四大類:N溝道消耗型、N溝道增強型、P溝道消耗型、 P溝道增強型。

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    MOS管應用

    MOS管最顯著的特性是開關特性好,所以被廣泛應用在需要電子開關的電路中,常見的如開關電源和馬達驅動,也有照明調光。而且由MOS管構成的CMOS傳感器為相機提供了越來越高的畫質,成就了更多的“攝影家”。

    1,MOS管應用電路:低壓應用

    當使用5V電源,這時候如果使用傳統的圖騰柱結構,由于三極管的be有0.7V左右的壓降,導致實際最終加在gate上的電壓只有4.3V。這時候,我們選用標稱gate電壓4.5V的MOS管就存在一定的風險。同樣的問題也發生在使用3V或者其他低壓電源的場合。

    2,MOS管應用電路:寬電壓應用

    輸入電壓并不是一個固定值,它會隨著時間或者其他因素而變動。這個變動導致PWM電路提供給MOS管的驅動電壓是不穩定的。為了讓MOS管在高gate電壓下安全,很多MOS管內置了穩壓管強行限制gate電壓的幅值。在這種情況下,當提供的驅動電壓超過穩壓管的電壓,就會引起較大的靜態功耗。同時,如果簡單的用電阻分壓的原理降低gate電壓,就會出現輸入電壓比較高的時候,MOS管工作良好,而輸入電壓降低的時候gate電壓不足,引起導通不夠徹底,從而增加功耗。

    3,雙電壓應用

    在一些控制電路中,邏輯部分使用典型的5V或者3.3V數字電壓,而功率部分使用12V甚至更高的電壓。兩個電壓采用共地方式連接。這就提出一個要求,需要使用一個電路,讓低壓側能夠有效的控制高壓側的MOS管,同時高壓側的MOS管也同樣會面對1和2中提到的問題。在這三種情況下,圖騰柱結構無法滿足輸出要求,而很多現成的MOS驅動IC,似乎也沒有包含gate電壓限制的結構。有一個相對通用的電路滿足這三種需求。

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    mos管電路經典分析


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