电子电路系列-MOS管
发布时间：2021.09.02
查看： 次
电子电路系列—MOS管
MOS管学名是场效应管，是金属-氧化物-半导体型场效应管，英文：MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。
其结构示意图：
解释1：沟道
上面图中，下边的p型中间一个窄长条就是沟道，使得左右两块P型极连在一起，因此mos管导通后是电阻特性，因此它的一个重要参数就是导通电阻，选用mos管必须清楚这个参数是否符合需求。
解释2：n型
上图表示的是p型mos管，读者可以依据此图理解n型的，都是反过来即可。因此，不难理解，n型的如图在栅极加正压会导致导通，而p型的相反。
解释3：增强型
相对于耗尽型，增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通，如图。栅极电压越低，则p型源、漏极的正离子就越靠近中间，n衬底的负离子就越远离栅极，栅极电压达到一个值，叫阀值或坎压时，由p型游离出来的正离子连在一起，形成通道，就是图示效果。因此，容易理解，栅极电压必须低到一定程度才能导通，电压越低，通道越厚，导通电阻越小。由于电场的强度与距离平方成正比，因此，电场强到一定程度之后，电压下降引起的沟道加厚就不明显了，也是因为n型负离子的“退让”是越来越难的。耗尽型的是事先做出一个导通层，用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通。但这种管子一般不生产，在市面基本见不到。所以，大家平时说mos管，就默认是增强型的。
解释4：左右对称
图示左右是对称的，难免会有人问怎么区分源极和漏极呢?其实原理上，源极和漏极确实是对称的，是不区分的。但在实际应用中，厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管，起保护作用，正是这个二极管决定了源极和漏极，这样，封装也就固定了，便于实用。我的老师年轻时用过不带二极管的mos管。非常容易被静电击穿，平时要放在铁质罐子里，它的源极和漏极就是随便接。
解释5：金属氧化物膜
图中有指示，这个膜是绝缘的，用来电气隔离，使得栅极只能形成电场，不能通过直流电，因此是用电压控制的。在直流电气上，栅极和源漏极是断路。不难理解，这个膜越薄：电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是：越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵。例如导通电阻在欧姆级的，1角人民币左右买一个，而2402等在十毫欧级的，要2元多(批量买。零售是4元左右)。
解释6：与实物的区别
上图仅仅是原理性的，实际的元件增加了源-漏之间跨接的保护二极管，从而区分了源极和漏极。实际的元件，p型的，衬底是接正电源的，使得栅极预先成为相对负电压，因此p型的管子，栅极不用加负电压了，接地就能保证导通。相当于预先形成了不能导通的沟道，严格讲应该是耗尽型了。好处是明显的，应用时抛开了负电压。
解释7：寄生电容
上图的栅极通过金属氧化物与衬底形成一个电容，越是高品质的mos，膜越薄，寄生电容越大，经常mos管的寄生电容达到nF级。这个参数是mos管选择时至关重要的参数之一，必须考虑清楚。Mos管用于控制大电流通断，经常被要求数十K乃至数M的开关频率，在这种用途中，栅极信号具有交流特征，频率越高，交流成分越大，寄生电容就能通过交流电流的形式通过电流，形成栅极电流。消耗的电能、产生的热量不可忽视，甚至成为主要问题。为了追求高速，需要强大的栅极驱动，也是这个道理。试想，弱驱动信号瞬间变为高电平，但是为了“灌满”寄生电容需要时间，就会产生上升沿变缓，对开关频率形成重大威胁直至不能工作。
解释8：如何工作在放大区
Mos管也能工作在放大区，而且很常见。做镜像电流源、运放、反馈控制等，都是利用mos管工作在放大区，由于mos管的特性，当沟道处于似通非通时，栅极电压直接影响沟道的导电能力，呈现一定的线性关系。由于栅极与源漏隔离，因此其输入阻抗可视为无穷大，当然，随频率增加阻抗就越来越小，一定频率时，就变得不可忽视。这个高阻抗特点被广泛用于运放，运放分析的虚连、虚断两个重要原则就是基于这个特点。这是三极管不可比拟的。
解释9：发热原因
Mos管发热，主要原因之一是寄生电容在频繁开启关闭时，显现交流特性而具有阻抗，形成电流。有电流就有发热，并非电场型的就没有电流。另一个原因是当栅极电压爬升缓慢时，导通状态要“路过”一个由关闭到导通的临界点，这时，导通电阻很大，发热比较厉害。第三个原因是导通后，沟道有电阻，过主电流，形成发热。主要考虑的发热是第1和第3点。许多mos管具有结温过高保护，所谓结温就是金属氧化膜下面的沟道区域温度，一般是150摄氏度。超过此温度，mos管不可能导通。温度下降就恢复。要注意这种保护状态的后果。
但愿上述描述能通俗的理解mos管，下面说说几个约定俗成电路：
1：pmos应用
一般用于管理电源的通断，属于无触点开关，栅极低电平就完全导通，高电平就完全截止。而且，栅极可以加高过电源的电压，意味着可以用5v信号管理3v电源的开关，这个原理也用于电平转换。
2：nmos管应用
一般用于管理某电路是否接地，属于无触点开关，栅极高电平就导通导致接地，低电平截止。当然栅极也可以用负电压截止，但这个好处没什么意义。其高电平可以高过被控制部分的电源，因为栅极是隔离的。因此可以用5v信号控制3v系统的某处是否接地，这个原理也用于电平转换。
3：放大区应用
工作于放大区，一般用来设计反馈电路，需要的专业知识比较多，类似运放，这里无法细说。常用做镜像电流源、电流反馈、电压反馈等。至于运放的集成应用，我们其实不用关注。人家都做好了，看好datasheet就可以了，不用按mos管方式去考虑导通电阻和寄生电容。
MOS管学名是场效应管，是金属-氧化物-半导体型场效应管，英文：MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，属于绝缘栅型。本文就结构构造、特点、实用电路等几个方面用工程师的话简单描述。
其结构示意图：
解释1：沟道
上面图中，下边的p型中间一个窄长条就是沟道，使得左右两块P型极连在一起，因此mos管导通后是电阻特性，因此它的一个重要参数就是导通电阻，选用mos管必须清楚这个参数是否符合需求。
解释2：n型
上图表示的是p型mos管，读者可以依据此图理解n型的，都是反过来即可。因此，不难理解，n型的如图在栅极加正压会导致导通，而p型的相反。
解释3：增强型
相对于耗尽型，增强型是通过“加厚”导电沟道的厚度来导通，如图。栅极电压越低，则p型源、漏极的正离子就越靠近中间，n衬底的负离子就越远离栅极，栅极电压达到一个值，叫阀值或坎压时，由p型游离出来的正离子连在一起，形成通道，就是图示效果。因此，容易理解，栅极电压必须低到一定程度才能导通，电压越低，通道越厚，导通电阻越小。由于电场的强度与距离平方成正比，因此，电场强到一定程度之后，电压下降引起的沟道加厚就不明显了，也是因为n型负离子的“退让”是越来越难的。耗尽型的是事先做出一个导通层，用栅极来加厚或者减薄来控制源漏的导通。但这种管子一般不生产，在市面基本见不到。所以，大家平时说mos管，就默认是增强型的。
解释4：左右对称
图示左右是对称的，难免会有人问怎么区分源极和漏极呢?其实原理上，源极和漏极确实是对称的，是不区分的。但在实际应用中，厂家一般在源极和漏极之间连接一个二极管，起保护作用，正是这个二极管决定了源极和漏极，这样，封装也就固定了，便于实用。我的老师年轻时用过不带二极管的mos管。非常容易被静电击穿，平时要放在铁质罐子里，它的源极和漏极就是随便接。
解释5：金属氧化物膜
图中有指示，这个膜是绝缘的，用来电气隔离，使得栅极只能形成电场，不能通过直流电，因此是用电压控制的。在直流电气上，栅极和源漏极是断路。不难理解，这个膜越薄：电场作用越好、坎压越小、相同栅极电压时导通能力越强。坏处是：越容易击穿、工艺制作难度越大而价格越贵。例如导通电阻在欧姆级的，1角人民币左右买一个，而2402等在十毫欧级的，要2元多(批量买。零售是4元左右)。
解释6：与实物的区别
上图仅仅是原理性的，实际的元件增加了源-漏之间跨接的保护二极管，从而区分了源极和漏极。实际的元件，p型的，衬底是接正电源的，使得栅极预先成为相对负电压，因此p型的管子，栅极不用加负电压了，接地就能保证导通。相当于预先形成了不能导通的沟道，严格讲应该是耗尽型了。好处是明显的，应用时抛开了负电压。
解释7：寄生电容
上图的栅极通过金属氧化物与衬底形成一个电容，越是高品质的mos，膜越薄，寄生电容越大，经常mos管的寄生电容达到nF级。这个参数是mos管选择时至关重要的参数之一，必须考虑清楚。Mos管用于控制大电流通断，经常被要求数十K乃至数M的开关频率，在这种用途中，栅极信号具有交流特征，频率越高，交流成分越大，寄生电容就能通过交流电流的形式通过电流，形成栅极电流。消耗的电能、产生的热量不可忽视，甚至成为主要问题。为了追求高速，需要强大的栅极驱动，也是这个道理。试想，弱驱动信号瞬间变为高电平，但是为了“灌满”寄生电容需要时间，就会产生上升沿变缓，对开关频率形成重大威胁直至不能工作。
解释8：如何工作在放大区
Mos管也能工作在放大区，而且很常见。做镜像电流源、运放、反馈控制等，都是利用mos管工作在放大区，由于mos管的特性，当沟道处于似通非通时，栅极电压直接影响沟道的导电能力，呈现一定的线性关系。由于栅极与源漏隔离，因此其输入阻抗可视为无穷大，当然，随频率增加阻抗就越来越小，一定频率时，就变得不可忽视。这个高阻抗特点被广泛用于运放，运放分析的虚连、虚断两个重要原则就是基于这个特点。这是三极管不可比拟的。
解释9：发热原因
Mos管发热，主要原因之一是寄生电容在频繁开启关闭时，显现交流特性而具有阻抗，形成电流。有电流就有发热，并非电场型的就没有电流。另一个原因是当栅极电压爬升缓慢时，导通状态要“路过”一个由关闭到导通的临界点，这时，导通电阻很大，发热比较厉害。第三个原因是导通后，沟道有电阻，过主电流，形成发热。主要考虑的发热是第1和第3点。许多mos管具有结温过高保护，所谓结温就是金属氧化膜下面的沟道区域温度，一般是150摄氏度。超过此温度，mos管不可能导通。温度下降就恢复。要注意这种保护状态的后果。
但愿上述描述能通俗的理解mos管，下面说说几个约定俗成电路：
1：pmos应用
一般用于管理电源的通断，属于无触点开关，栅极低电平就完全导通，高电平就完全截止。而且，栅极可以加高过电源的电压，意味着可以用5v信号管理3v电源的开关，这个原理也用于电平转换。
2：nmos管应用
一般用于管理某电路是否接地，属于无触点开关，栅极高电平就导通导致接地，低电平截止。当然栅极也可以用负电压截止，但这个好处没什么意义。其高电平可以高过被控制部分的电源，因为栅极是隔离的。因此可以用5v信号控制3v系统的某处是否接地，这个原理也用于电平转换。
3：放大区应用
工作于放大区，一般用来设计反馈电路，需要的专业知识比较多，类似运放，这里无法细说。常用做镜像电流源、电流反馈、电压反馈等。至于运放的集成应用，我们其实不用关注。人家都做好了，看好datasheet就可以了，不用按mos管方式去考虑导通电阻和寄生电容。
