MOS管工作原理及芯片匯總

1、MOS管工作原理及芯片匯總一：MOS管參數(shù)解釋 MOS管介紹在使用MOS管設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源或者馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候，一般都要考慮MOS的導(dǎo)通電阻，最大電壓等，最大電流等因素。MOSFET管是FET的一種，可以被制造成增強(qiáng)型或耗盡型，P溝道或N溝道共4種類型，一般主要應(yīng)用的為增強(qiáng)型的NMOS管和增強(qiáng)型的PMOS管，所以通常提到的就是這兩種。這兩種增強(qiáng)型MOS管，比較常用的是NMOS。原因是導(dǎo)通電阻小且容易制造。所以開(kāi)關(guān)電源和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，一般都用NMOS。在MOS管內(nèi)部，漏極和源極之間會(huì)寄生一個(gè)二極管。這個(gè)叫體二極管，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá))，這個(gè)二極管很重要，并且只在單個(gè)的MOS管中存在此二極管

2、，在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。MOS管的三個(gè)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(jì)或選擇驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候要麻煩一些，但沒(méi)有辦法避免。 MOS管導(dǎo)通特性導(dǎo)通的意思是作為開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng))，只要柵極電壓達(dá)到一定電壓（如4V或10V, 其他電壓，看手冊(cè)）就可以了。PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用

3、NMOS。MOS開(kāi)關(guān)管損失不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，因而在DS間流過(guò)電流的同時(shí)，兩端還會(huì)有電壓，這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗?，F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾毫歐，幾十毫歐左右MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大，造成的損失也就很大。降低開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻

4、率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。MOS管驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通不需要電流，只要GS電壓高于一定的值，就可以了。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(dòng)，實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大(4V或10V其他電壓，看手冊(cè))。如果在

5、同一個(gè)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(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。Mosfet參數(shù)含義說(shuō)明Features:Vds： DS擊穿電壓.當(dāng)Vgs=0V時(shí)，MOS的DS所能承受的最大電壓Rds(on)：DS的導(dǎo)通電阻.當(dāng)Vgs=10V時(shí)，MOS的DS之間的電阻Id： 最大DS電流.會(huì)隨溫度的升高而降低Vgs: 最大GS電壓.一般為：-20V+20VIdm: 最大脈沖DS電流.會(huì)隨溫度的升高而降低，體現(xiàn)一個(gè)抗沖擊能力，跟脈沖時(shí)間也有關(guān)系Pd: 最大耗散功率Tj: 最大工作結(jié)溫，通常為150度和175度Tstg

6、: 最大存儲(chǔ)溫度Iar: 雪崩電流Ear: 重復(fù)雪崩擊穿能量Eas: 單次脈沖雪崩擊穿能量BVdss： DS擊穿電壓Idss: 飽和DS電流，uA級(jí)的電流Igss: GS驅(qū)動(dòng)電流，nA級(jí)的電流.gfs: 跨導(dǎo)Qg: G總充電電量Qgs: GS充電電量 Qgd: GD充電電量Td(on): 導(dǎo)通延遲時(shí)間，從有輸入電壓上升到10%開(kāi)始到Vds下降到其幅值90%的時(shí)間Tr: 上升時(shí)間，輸出電壓 VDS 從 90% 下降到其幅值 10% 的時(shí)間Td(off): 關(guān)斷延遲時(shí)間，輸入電壓下降到 90% 開(kāi)始到 VDS 上升到其關(guān)斷電壓時(shí) 10% 的時(shí)間Tf: 下降時(shí)間，輸出電壓 VDS 從 10% 上升到

7、其幅值 90% 的時(shí)間 ( 參考圖 4) 。 Ciss: 輸入電容，Ciss=Cgd + Cgs.Coss: 輸出電容，Coss=Cds +Cgd. Crss: 反向傳輸電容，Crss=Cgc. 二：N溝道MOS管的結(jié)構(gòu)及工作原理N溝道金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOS管)的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的輸入電阻雖然可達(dá)106109W，但在要求輸入電阻更高的場(chǎng)合，還是不能滿足要求。而且，由于它的輸入電阻是PN結(jié)的反偏電阻，在高溫條件下工作時(shí)，PN結(jié)反向電流增大，反偏電阻的阻值明顯下降。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管不同，金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的柵極與半導(dǎo)體之間隔有二氧化硅（SiO2）絕緣

8、介質(zhì)，使柵極處于絕緣狀態(tài)（故又稱絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管），因而它的輸入電阻可高達(dá)1015W。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單，適于制造大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路。MOS管也有N溝道和P溝道之分，而且每一類又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩種，二者的區(qū)別是增強(qiáng)型MOS管在柵-源電壓vGS=0時(shí)，漏-源極之間沒(méi)有導(dǎo)電溝道存在，即使加上電壓vDS（在一定的數(shù)值范圍內(nèi)），也沒(méi)有漏極電流產(chǎn)生（iD=0）。而耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏-源極間就有導(dǎo)電溝道存在。一、N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)a) N溝道增強(qiáng)型MOS管結(jié)構(gòu)示意圖(b) N溝道增強(qiáng)型MOS管代表符號(hào) (c) P溝道增強(qiáng)型MOS管代表符號(hào)在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底

9、上，用光刻、擴(kuò)散工藝制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。然后在半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏-源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。另外在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。顯然它的柵極與其它電極間是絕緣的。圖 1(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖 1(c)所示。MOS/CMOS集成電路MOS集成電路特點(diǎn)：制造工藝比較簡(jiǎn)單、成品率較高、功耗低、組成的邏輯電路比較簡(jiǎn)單，集成度高、抗干擾能力強(qiáng)，

10、特別適合于大規(guī)模集成電路。MOS集成電路包括:NMOS管組成的NMOS電路、PMOS管組成的PMOS電路及由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補(bǔ)MOS電路，即CMOS電路。PMOS門電路與NMOS電路的原理完全相同，只是電源極性相反而已。數(shù)字電路中MOS集成電路所使用的MOS管均為增強(qiáng)型管子，負(fù)載常用MOS管作為有源負(fù)載，這樣不僅節(jié)省了硅片面積，而且簡(jiǎn)化了工藝?yán)诖笠?guī)模集成。常用的符號(hào)如圖1所示。N溝MOS晶體管金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-SemIConductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡(jiǎn)稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而P

11、MOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為CMOS集成電路。 由p型襯底和兩個(gè)高濃度n擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成的MOS管叫作n溝道MOS管，該管導(dǎo)通時(shí)在兩個(gè)高濃度n擴(kuò)散區(qū)間形成n型導(dǎo)電溝道。n溝道增強(qiáng)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(shí)才有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。n溝道耗盡型MOS管是指在不加?xùn)艍海旁措妷簽榱悖r(shí)，就有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生的n溝道MOS管。 NMOS集成電路是N溝道MOS電路，NMOS集成電路的輸入阻抗很高，基本上不需要吸收電流，因此，CMOS與NMOS集成電路連接時(shí)不必考慮電流的負(fù)載問(wèn)題。NMOS集成電路大多采用單組正電源供電，并且以5V為多。CMO

12、S集成電路只要選用與NMOS集成電路相同的電源，就可與NMOS集成電路直接連接。不過(guò)，從NMOS到CMOS直接連接時(shí)，由于NMOS輸出的高電平低于CMOS集成電路的輸入高電平，因而需要使用一個(gè)（電位）上拉電阻R，R的取值一般選用2100K。 N溝道增強(qiáng)型MOS管的結(jié)構(gòu)在一塊摻雜濃度較低的P型硅襯底上，制作兩個(gè)高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個(gè)電極，分別作漏極d和源極s。 然后在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的二氧化硅(SiO2)絕緣層，在漏源極間的絕緣層上再裝上一個(gè)鋁電極,作為柵極g。 在襯底上也引出一個(gè)電極B，這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管。MOS管的源極和襯底通常是接在一起的(大多數(shù)管子在

13、出廠前已連接好)。 它的柵極與其它電極間是絕緣的。 圖(a)、(b)分別是它的結(jié)構(gòu)示意圖和代表符號(hào)。代表符號(hào)中的箭頭方向表示由P(襯底)指向N(溝道)。P溝道增強(qiáng)型MOS管的箭頭方向與上述相反，如圖(c)所示。 N溝道增強(qiáng)型MOS管的工作原理（1）vGS對(duì)iD及溝道的控制作用 vGS=0 的情況 從圖1(a)可以看出，增強(qiáng)型MOS管的漏極d和源極s之間有兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵源電壓vGS=0時(shí)，即使加上漏源電壓vDS，而且不論vDS的極性如何，總有一個(gè)PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏源極間沒(méi)有導(dǎo)電溝道，所以這時(shí)漏極電流iD0。 vGS0 的情況 若vGS0，則柵極和襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個(gè)

14、電場(chǎng)。電場(chǎng)方向垂直于半導(dǎo)體表面的由柵極指向襯底的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)能排斥空穴而吸引電子。 排斥空穴：使柵極附近的P型襯底中的空穴被排斥，剩下不能移動(dòng)的受主離子(負(fù)離子)，形成耗盡層。吸引電子：將 P型襯底中的電子（少子）被吸引到襯底表面。 （2）導(dǎo)電溝道的形成： 當(dāng)vGS數(shù)值較小，吸引電子的能力不強(qiáng)時(shí)，漏源極之間仍無(wú)導(dǎo)電溝道出現(xiàn)，如圖1(b)所示。vGS增加時(shí)，吸引到P襯底表面層的電子就增多，當(dāng)vGS達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，這些電子在柵極附近的P襯底表面便形成一個(gè)N型薄層，且與兩個(gè)N+區(qū)相連通，在漏源極間形成N型導(dǎo)電溝道，其導(dǎo)電類型與P襯底相反，故又稱為反型層，如圖1(c)所示。vGS越大，作用于半導(dǎo)體表

15、面的電場(chǎng)就越強(qiáng)，吸引到P襯底表面的電子就越多，導(dǎo)電溝道越厚，溝道電阻越小。 開(kāi)始形成溝道時(shí)的柵源極電壓稱為開(kāi)啟電壓，用VT表示。 上面討論的N溝道MOS管在vGSVT時(shí)，不能形成導(dǎo)電溝道，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。只有當(dāng)vGSVT時(shí)，才有溝道形成。這種必須在vGSVT時(shí)才能形成導(dǎo)電溝道的MOS管稱為增強(qiáng)型MOS管。溝道形成以后，在漏源極間加上正向電壓vDS，就有漏極電流產(chǎn)生。 vDS對(duì)iD的影響 如圖(a)所示，當(dāng)vGSVT且為一確定值時(shí)，漏源電壓vDS對(duì)導(dǎo)電溝道及電流iD的影響與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相似。漏極電流iD沿溝道產(chǎn)生的電壓降使溝道內(nèi)各點(diǎn)與柵極間的電壓不再相等，靠近源極一端的電壓最大，這里溝道最厚，

16、而漏極一端電壓最小，其值為VGD=vGSvDS，因而這里溝道最薄。但當(dāng)vDS較?。╲DSvGSVT）時(shí)，它對(duì)溝道的影響不大，這時(shí)只要vGS一定，溝道電阻幾乎也是一定的，所以iD隨vDS近似呈線性變化。 隨著vDS的增大，靠近漏極的溝道越來(lái)越薄，當(dāng)vDS增加到使VGD=vGSvDS=VT(或vDS=vGSVT)時(shí)，溝道在漏極一端出現(xiàn)預(yù)夾斷，如圖2(b)所示。再繼續(xù)增大vDS，夾斷點(diǎn)將向源極方向移動(dòng)，如圖2(c)所示。由于vDS的增加部分幾乎全部降落在夾斷區(qū)，故iD幾乎不隨vDS增大而增加，管子進(jìn)入飽和區(qū)，iD幾乎僅由vGS決定。 N溝道增強(qiáng)型MOS管的特性曲線、電流方程及參數(shù)（1） 特性曲線和電

17、流方程 1）輸出特性曲線N溝道增強(qiáng)型MOS管的輸出特性曲線如圖1(a)所示。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管一樣,其輸出特性曲線也可分為可變電阻區(qū)、飽和區(qū)、截止區(qū)和擊穿區(qū)幾部分。 2）轉(zhuǎn)移特性曲線 轉(zhuǎn)移特性曲線如圖1(b)所示,由于場(chǎng)效應(yīng)管作放大器件使用時(shí)是工作在飽和區(qū)(恒流區(qū)),此時(shí)iD幾乎不隨vDS而變化,即不同的vDS所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線幾乎是重合的,所以可用vDS大于某一數(shù)值(vDSvGS-VT)后的一條轉(zhuǎn)移特性曲線代替飽和區(qū)的所有轉(zhuǎn)移特性曲線. 3）iD與vGS的近似關(guān)系 與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相類似。在飽和區(qū)內(nèi),iD與vGS的近似關(guān)系式為 式中IDO是vGS=2VT時(shí)的漏極電流iD。 （2）參數(shù) MOS管的

18、主要參數(shù)與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管基本相同，只是增強(qiáng)型MOS管中不用夾斷電壓VP ，而用開(kāi)啟電壓VT表征管子的特性。 N溝道耗盡型MOS管的基本結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)： N溝道耗盡型MOS管與N溝道增強(qiáng)型MOS管基本相似。 （2）區(qū)別： 耗盡型MOS管在vGS=0時(shí)，漏源極間已有導(dǎo)電溝道產(chǎn)生，而增強(qiáng)型MOS管要在vGSVT時(shí)才出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。 （3）原因： 制造N溝道耗盡型MOS管時(shí)，在SiO2絕緣層中摻入了大量的堿金屬正離子Na+或K+(制造P溝道耗盡型MOS管時(shí)摻入負(fù)離子)，如圖1(a)所示，因此即使vGS=0時(shí)，在這些正離子產(chǎn)生的電場(chǎng)作用下，漏源極間的P型襯底表面也能感應(yīng)生成N溝道(稱為初始溝道)，只要加上正

19、向電壓vDS，就有電流iD。 如果加上正的vGS，柵極與N溝道間的電場(chǎng)將在溝道中吸引來(lái)更多的電子，溝道加寬，溝道電阻變小，iD增大。反之vGS為負(fù)時(shí)，溝道中感應(yīng)的電子減少，溝道變窄，溝道電阻變大，iD減小。當(dāng)vGS負(fù)向增加到某一數(shù)值時(shí)，導(dǎo)電溝道消失，iD趨于零，管子截止，故稱為耗盡型。溝道消失時(shí)的柵源電壓稱為夾斷電壓，仍用VP表示。與N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管相同，N溝道耗盡型MOS管的夾斷電壓VP也為負(fù)值，但是，前者只能在vGS0，VPvGS0的情況下均能實(shí)現(xiàn)對(duì)iD的控制，而且仍能保持柵源極間有很大的絕緣電阻,使柵極電流為零。這是耗盡型MOS管的一個(gè)重要特點(diǎn)。圖(b)、(c)分別是N溝道和P溝道耗盡

20、型MOS管的代表符號(hào)。 （4）電流方程： 在飽和區(qū)內(nèi)，耗盡型MOS管的電流方程與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的電流方程相同，即： 各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較P溝MOS晶體管金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類， P溝道硅MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個(gè)P+區(qū)，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導(dǎo)，柵極上加有足夠的正電壓(源極接地)時(shí)，柵極下的N型硅表面呈現(xiàn)P型反型層，成為連接源極和漏極的溝道。改變柵壓可以改變溝道中的電子密度，從而改變溝道的電阻。這種MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱為P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。如果N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道，加上適當(dāng)?shù)钠珘?，可使溝道的電阻增大或減

21、小。這樣的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管稱為P溝道耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱為PMOS晶體管。 P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下，PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外，P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對(duì)值一般偏高，要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性,與雙極型晶體管晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大，充電放電過(guò)程長(zhǎng)，加之器件跨導(dǎo)小，所以工作速度更低，在NMOS電路(見(jiàn)N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路)出現(xiàn)之后，多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜，有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS

22、電路技術(shù)。 PMOS集成電路是一種適合在低速、低頻領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的器件。PMOS集成電路采用-24V電壓供電。如圖5所示的CMOS-PMOS接口電路采用兩種電源供電。采用直接接口方式，一般CMOS的電源電壓選擇在1012V就能滿足PMOS對(duì)輸入電平的要求。 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有很高的輸入阻抗，在電路中便于直接耦合，容易制成規(guī)模大的集成電路。 各種場(chǎng)效應(yīng)管特性比較三：SO-8（貼片腳）封裝管 IRF7805Z的引腳圖。 上圖中有小圓點(diǎn)的為腳 注：下表按電流降序排列（如有未列出的，可回帖，我盡量補(bǔ)充）封裝形式極性型號(hào)電流(A)耐壓(V)導(dǎo)通電阻(m)SO-8N型SI433622304.2SO-8N型

23、IRF783121303.6SO-8N型IRF783220304SO-8N型IRF78221830SO-8N型IRF783617305.7SO-8N型IRF811317305.6SO-8N型SI4404 17308SO-8N型FDS6688 16306SO-8N型IRF7805Z 16306.8SO-8N型IRF747714308.5SO-8N型IRF872114308.5SO-8N型IRF78051330SO-8N型IRF7805Q133011SO-8N型IRF7413123018SO-8N型TPC8003 12306SO-8N型IRF7477113020SO-8N型IRF7811 11301