想要全面了解要MOS管 看這個就夠了（上）

MOS管學(xué)名是場效應(yīng)管，是金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，屬于絕緣柵型。本文就結(jié)構(gòu)構(gòu)造、特點、實用電路等幾個方面用工程師的話簡單描述。
其結(jié)構(gòu)示意圖：

解釋1：溝道
上面圖中，下邊的p型中間一個窄長條就是溝道，使得左右兩塊P型極連在一起，因此mos管導(dǎo)通后是電阻特性，因此它的一個重要參數(shù)就是導(dǎo)通電阻，選用mos管必須清楚這個參數(shù)是否符合需求。
解釋2：n型
上圖表示的是p型mos管，讀者可以依據(jù)此圖理解n型的，都是反過來即可。因此，不難理解，n型的如圖在柵極加正壓會導(dǎo)致導(dǎo)通，而p型的相反。
解釋3：增強型
相對于耗盡型，增強型是通過“加厚”導(dǎo)電溝道的厚度來導(dǎo)通，如圖。柵極電壓越低，則p型源、漏極的正離子就越靠近中間，n襯底的負離子就越遠離柵極，柵極電壓達到一個值，叫閥值或坎壓時，由p型游離出來的正離子連在一起，形成通道，就是圖示效果。因此，容易理解，柵極電壓必須低到一定程度才能導(dǎo)通，電壓越低，通道越厚，導(dǎo)通電阻越小。
由于電場的強度與距離平方成正比，因此，電場強到一定程度之后，電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了，也是因為n型負離子的“退讓”是越來越難的。耗盡型的是事先做出一個導(dǎo)通層，用柵極來加厚或者減薄來控制源漏的導(dǎo)通。但這種管子一般不生產(chǎn)，在市面基本見不到。所以，大家平時說mos管，就默認是增強型的。
解釋4：左右對稱
圖示左右是對稱的，難免會有人問怎么區(qū)分源極和漏極呢？其實原理上，源極和漏極確實是對稱的，是不區(qū)分的。但在實際應(yīng)用中，廠家一般在源極和漏極之間連接一個二極管，起保護作用，正是這個二極管決定了源極和漏極，這樣，封裝也就固定了，便于實用。我的老師年輕時用過不帶二極管的mos管。非常容易被靜電擊穿，平時要放在鐵質(zhì)罐子里，它的源極和漏極就是隨便接。
解釋5：金屬氧化物膜
圖中有指示，這個膜是絕緣的，用來電氣隔離，使得柵極只能形成電場，不能通過直流電，因此是用電壓控制的。在直流電氣上，柵極和源漏極是斷路。不難理解，這個膜越?。弘妶鲎饔迷胶?、坎壓越小、相同柵極電壓時導(dǎo)通能力越強。壞處是：越容易擊穿、工藝制作難度越大而價格越貴。例如導(dǎo)通電阻在歐姆級的，1角人民幣左右買一個，而2402等在十毫歐級的，要2元多（批量買。零售是4元左右）。
解釋6：與實物的區(qū)別
上圖僅僅是原理性的，實際的元件增加了源-漏之間跨接的保護二極管，從而區(qū)分了源極和漏極。實際的元件，p型的，襯底是接正電源的，使得柵極預(yù)先成為相對負電壓，因此p型的管子，柵極不用加負電壓了，接地就能保證導(dǎo)通。相當于預(yù)先形成了不能導(dǎo)通的溝道，嚴格講應(yīng)該是耗盡型了。好處是明顯的，應(yīng)用時拋開了負電壓。
解釋7：寄生電容
上圖的柵極通過金屬氧化物與襯底形成一個電容，越是高品質(zhì)的mos，膜越薄，寄生電容越大，經(jīng)常mos管的寄生電容達到nF級。這個參數(shù)是mos管選擇時至關(guān)重要的參數(shù)之一，必須考慮清楚。Mos管用于控制大電流通斷，經(jīng)常被要求數(shù)十K乃至數(shù)M的開關(guān)頻率，在這種用途中，柵極信號具有交流特征，頻率越高，交流成分越大，寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流，形成柵極電流。
消耗的電能、產(chǎn)生的熱量不可忽視，甚至成為主要問題。為了追求高速，需要強大的柵極驅(qū)動，也是這個道理。試想，弱驅(qū)動信號瞬間變?yōu)楦唠娖?，但是為?ldquo;灌滿”寄生電容需要時間，就會產(chǎn)生上升沿變緩，對開關(guān)頻率形成重大威脅直至不能工作。
解釋8：如何工作在放大區(qū)
Mos管也能工作在放大區(qū)，而且很常見。做鏡像電流源、運放、反饋控制等，都是利用mos管工作在放大區(qū)，由于mos管的特性，當溝道處于似通非通時，柵極電壓直接影響溝道的導(dǎo)電能力，呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。由于柵極與源漏隔離，因此其輸入阻抗可視為無窮大，當然，隨頻率增加阻抗就越來越小，一定頻率時，就變得不可忽視。這個高阻抗特點被廣泛用于運放，運放分析的虛連、虛斷兩個重要原則就是基于這個特點。這是三極管不可比擬的。
解釋9：發(fā)熱原因
Mos管發(fā)熱，主要原因之一是寄生電容在頻繁開啟關(guān)閉時，顯現(xiàn)交流特性而具有阻抗，形成電流。有電流就有發(fā)熱，并非電場型的就沒有電流。另一個原因是當柵極電壓爬升緩慢時，導(dǎo)通狀態(tài)要“路過”一個由關(guān)閉到導(dǎo)通的臨界點，這時，導(dǎo)通電阻很大，發(fā)熱比較厲害。第三個原因是導(dǎo)通后，溝道有電阻，過主電流，形成發(fā)熱。主要考慮的發(fā)熱是第1和第3點。許多mos管具有結(jié)溫過高保護，所謂結(jié)溫就是金屬氧化膜下面的溝道區(qū)域溫度，一般是150攝氏度。超過此溫度，mos管不可能導(dǎo)通。溫度下降就恢復(fù)。要注意這種保護狀態(tài)的后果。
但愿上述描述能通俗的理解mos管，下面說說幾個約定俗成電路：
1：pmos應(yīng)用
一般用于管理電源的通斷，屬于無觸點開關(guān)，柵極低電平就完全導(dǎo)通，高電平就完全截止。而且，柵極可以加高過電源的電壓，意味著可以用5v信號管理3v電源的開關(guān)，這個原理也用于電平轉(zhuǎn)換。
2：nmos管應(yīng)用
一般用于管理某電路是否接地，屬于無觸點開關(guān)，柵極高電平就導(dǎo)通導(dǎo)致接地，低電平截止。當然柵極也可以用負電壓截止，但這個好處沒什么意義。其高電平可以高過被控制部分的電源，因為柵極是隔離的。因此可以用5v信號控制3v系統(tǒng)的某處是否接地，這個原理也用于電平轉(zhuǎn)換。
3：放大區(qū)應(yīng)用
工作于放大區(qū)，一般用來設(shè)計反饋電路，需要的專業(yè)知識比較多，類似運放，這里無法細說。常用做鏡像電流源、電流反饋、電壓反饋等。至于運放的集成應(yīng)用，我們其實不用關(guān)注。人家都做好了，看好datasheet就可以了，不用按mos管方式去考慮導(dǎo)通電阻和寄生電容。
03MOS管的基本知識
現(xiàn)在的高清、液晶、等離子電視機中開關(guān)電源部分除了采用了PFC技術(shù)外，在元器件上的開關(guān)管均采用性能優(yōu)異的MOS管取代過去的大功率晶體三極管，使整機的效率、可靠性、故障率均大幅的下降。由于MOS管和大功率晶體三極管在結(jié)構(gòu)、特性有著本質(zhì)上的區(qū)別，在應(yīng)用上；驅(qū)動電路也比晶體三極管復(fù)雜，致使維修人員對電路、故障的分析倍感困難，此文即針對這一問題，把MOS管及其應(yīng)用電路作簡單介紹，以滿足維修人員需求。
一、什么是MOS管
MOS管的英文全稱叫MOSFET（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），即金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，屬于場效應(yīng)管中的絕緣柵型。因此，MOS管有時被稱為絕緣柵場效應(yīng)管。在一般電子電路中，MOS管通常被用于放大電路或開關(guān)電路。
1、MOS管的構(gòu)造；
在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（Si02）絕緣層膜，在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個N溝道（NPN型）增強型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。圖1-1所示A、B分別是它的結(jié)構(gòu)圖和代表符號。
同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴散工藝制作兩個高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制作過程，就制成為一個P溝道（PNP型）增強型MOS管。圖1-2所示A、B分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號。

圖1-1-A圖1-1-B

圖1-2-A圖1-2-B
2、MOS管的工作原理：圖1-3是N溝道MOS管工作原理圖；

圖1-3-A

圖1-3-B
從圖1-3-A可以看出，增強型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當柵-源電壓VGS=0時，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道（沒有電流流過），所以這時漏極電流ID=0。
此時若在柵-源極間加上正向電壓，圖1-3-B所示，即VGS＞0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無法形成電流，氧化物層的兩邊就形成了一個電容，VGS等效是對這個電容充電，并形成一個電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸引，在這個電容的另一邊就聚集大量的電子并形成了一個從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道。
當VGS大于管子的開啟電壓VT（一般約為2V）時，N溝道管開始導(dǎo)通，形成漏極電流ID，我們把開始形成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，一般用VT表示?？刂茤艠O電壓VGS的大小改變了電場的強弱，就可以達到控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個重要特點，所以也稱之為場效應(yīng)管。
3、MOS管的特性；
上述MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于Sio2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場從而導(dǎo)致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。這就可以得出如下結(jié)論：
1）MOS管是一個由改變電壓來控制電流的器件，所以是電壓器件。
2）MOS管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。
4、MOS管的電壓極性和符號規(guī)則；
圖1-4-A是N溝道MOS管的符號，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是P溝道的MOS管。
在實際MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號的規(guī)則中；表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區(qū)別漏極和源極。圖1-5-A是P溝道MOS管的符號。
MOS管應(yīng)用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負極，柵極G正電壓時導(dǎo)電溝道建立，N溝道MOS管開始工作，如圖1-4-B所示。同樣P道的類似PNP晶體三極管，漏極D接負極，源極S接正極，柵極G負電壓時，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開始工作，如圖1-5-B所示。

圖1-4-AN溝道MOS管符號

圖1-4-BN溝道MOS管電壓極性及襯底連接

圖1-5-AP溝道MOS管符號

圖1-5-BP溝道MOS管電壓極性及襯底連接
5、MOS管和晶體三極管相比的重要特性；
1）．場效應(yīng)管的源極S、柵極G、漏極D分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用相似，圖1-6-A所示是N溝道MOS管和NPN型晶體三極管引腳，圖1-6-B所示是P溝道MOS管和PNP型晶體三極管引腳對應(yīng)圖。

圖1-6-A圖1-6-B
2）．場效應(yīng)管是電壓控制電流器件，由VGS控制ID，普通的晶體三極管是電流控制電流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系數(shù)是（跨導(dǎo)gm）當柵極電壓改變一伏時能引起漏極電流變化多少安培。晶體三極管是電流放大系數(shù)（貝塔β）當基極電流改變一毫安時能引起集電極電流變化多少。
3）．場效應(yīng)管柵極和其它電極是絕緣的，不產(chǎn)生電流；而三極管工作時基極電流IB決定集電極電流IC。因此場效應(yīng)管的輸入電阻比三極管的輸入電阻高的多。
4）．場效應(yīng)管只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電；三極管有多數(shù)載流子和少數(shù)載流子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少數(shù)載流子濃度受溫度、輻射等因素影響較大，所以場效應(yīng)管比三極管的溫度穩(wěn)定性好。
5）．場效應(yīng)管在源極未與襯底連在一起時，源極和漏極可以互換使用，且特性變化不大，而三極管的集電極與發(fā)射極互換使用時，其特性差異很大，b值將減小很多。
6）．場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小，在低噪聲放大電路的輸入級及要求信噪比較高的電路中要選用場效應(yīng)管。
7）．場效應(yīng)管和普通晶體三極管均可組成各種放大電路和開關(guān)電路，但是場效應(yīng)管制造工藝簡單，并且又具有普通晶體三極管不能比擬的優(yōu)秀特性，在各種電路及應(yīng)用中正逐步的取代普通晶體三極管，目前的大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路中，已經(jīng)廣泛的采用場效應(yīng)管。
6、在開關(guān)電源電路中；大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優(yōu)點；
1）、輸入阻抗高，驅(qū)動功率?。河捎跂旁粗g是二氧化硅（SiO2）絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，一般達100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。由于輸入阻抗高，對激勵信號不會產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動，所以驅(qū)動功率極?。`敏度高）。一般的晶體三極管必需有基極電壓Vb，再產(chǎn)生基極電流Ib，才能驅(qū)動集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動是需要功率的（Vb×Ib）。
2）、開關(guān)速度快：MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系，由于輸入容性特性的存在，使開關(guān)的速度變慢，但是在作為開關(guān)運用時，可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻，加快開關(guān)速度（輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動，加快了容性的充放電的時間）。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時間在10—100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開關(guān)速度的提高（目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以輕易的做到100K/S～150K/S，這對于普通的大功率晶體三極管來說是難以想象的）。
3）、無二次擊穿；由于普通的功率晶體三極管具有當溫度上升就會導(dǎo)致集電極電流上升（正的溫度～電流特性）的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會導(dǎo)致溫度進一步的上升，溫度進一步的上升，更進一步的導(dǎo)致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步下降，這就形成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)下降最終導(dǎo)致晶體三極管的擊穿，這是一種導(dǎo)致電視機開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破環(huán)性的熱電擊穿現(xiàn)象，也稱為二次擊穿現(xiàn)象。
MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當管溫度（或環(huán)境溫度）上升時，溝道電流IDS反而下降。例如；一只IDS=10A的MOSFET開關(guān)管，當VGS控制電壓不變時，在250C溫度下IDS=3A，當芯片溫度升高為1000C時，IDS降低到2A，這種因溫度上升而導(dǎo)致溝道電流IDS下降的負溫度電流特性，使之不會產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，可見采用MOS管作為開關(guān)管，其開關(guān)管的損壞率大幅度的降低，近兩年電視機開關(guān)電源采用MOS管代替過去的普通晶體三極管后，開關(guān)管損壞率大大降低也是一個極好的證明。
4）、MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性；
普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通是，幾乎是直通，有一個極低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個壓降，那么也就是；普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個阻值極小的電阻，但是這個等效的電阻是一個非線性的電阻（電阻上的電壓和流過的電流不能符合歐姆定律），而MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個阻值極小的電阻，但是這個電阻等效一個線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流符合歐姆定律的關(guān)系，電流大壓降就大，電流小壓降就小，導(dǎo)通后既然等效是一個線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當這樣兩個電阻并聯(lián)在一起，就有一個自動電流平衡的作用，所以MOS管在一個管子功率不夠的時候，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不必另外增加平衡措施（非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的）。
MOS管和普通的晶體三極管相比，有以上四項優(yōu)點，就足以使MOS管在開關(guān)運用狀態(tài)下完全取代普通的晶體三極管。目前的技術(shù)MOS管道VDS能做到1000V，只能作為開關(guān)電源的開關(guān)管應(yīng)用，隨著制造工藝的不斷進步，VDS的不斷提高，取代顯像管電視機的行輸出管也是近期能實現(xiàn)的。推薦閱讀：想要全面了解要MOS管看這個就夠了（下）