131 1300 0010
什么是MOS管MOS管的英文全稱叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金屬氧化物半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管，屬于場(chǎng)效應(yīng)管中的絕緣柵型。因此，MOS管有時(shí)被稱為絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。在普通電子電路中，MOS管通常被用于放大電路或開(kāi)關(guān)電路。
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(kuò)散工藝制造兩個(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(gè)絕緣層膜上裝上一個(gè)鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個(gè)N溝道（NPN型）增強(qiáng)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(hào)。
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(kuò)散工藝制造兩個(gè)高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制造過(guò)程，就制成為一個(gè)P溝道（PNP型）增強(qiáng)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(hào)。
從圖1-3-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，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（沒(méi)有電流流過(guò)），所以這時(shí)漏極電流ID=0。此時(shí)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(gè)柵極指向P型硅襯底的電場(chǎng)，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無(wú)法構(gòu)成電流，氧化物層的兩邊就構(gòu)成了一個(gè)電容，VGS等效是對(duì)這個(gè)電容充電，并構(gòu)成一個(gè)電場(chǎng)，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸收，在這個(gè)電容的另一邊就聚集大量的電子并構(gòu)成了一個(gè)從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開(kāi)啟電壓VT（普通約為 2V）時(shí)，N溝道管開(kāi)端導(dǎo)通，構(gòu)成漏極電流ID，我們把開(kāi)端構(gòu)成溝道時(shí)的柵-源極電壓稱為開(kāi)啟電壓，普通用VT表示。控制柵極電壓VGS的大小改動(dòng)了電場(chǎng)的強(qiáng)弱，就可以抵達(dá)控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場(chǎng)來(lái)控制電流的一個(gè)重要特性，所以也稱之為場(chǎng)效應(yīng)管。
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(gè)電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場(chǎng)從而招致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時(shí)的柵極電壓VGS決議了漏極電流的大小，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(gè)由改動(dòng)電壓來(lái)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。
圖1-4-A 是N溝道MOS管的符號(hào)，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(shí)際MOS管生產(chǎn)的過(guò)程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號(hào)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(hào)。
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(fù)極，柵極G正電壓時(shí)導(dǎo)電溝道建立，N溝道MOS管開(kāi)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(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時(shí)，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開(kāi)始工作,如圖1-5-B所示。
1）、大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優(yōu)點(diǎn)；1)、輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小：由于柵源之間是二氧化硅（SiO2）絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，普通達(dá)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(duì)鼓舞信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)功率極小（靈敏度高）。普通的晶體三極管必需有基極電壓Vb，再產(chǎn)生基極電流Ib，才干驅(qū)動(dòng)集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動(dòng)是需求功率的（Vb×Ib）。
2）、開(kāi)關(guān)速度快:MOSFET的開(kāi)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(kāi)關(guān)的速度變慢，但是在作為開(kāi)關(guān)運(yùn)用時(shí)，可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻，加快開(kāi)關(guān)速度（輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動(dòng)，加快了容性的充放電的時(shí)間）。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常疾速，開(kāi)關(guān)時(shí)間在10—100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，使開(kāi)關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開(kāi)關(guān)速度的進(jìn)步（目前采用MOS管的開(kāi)關(guān)電源其工作頻率可以隨意的做到100K/S～150K/S,這關(guān)于普通的大功率晶體三極管來(lái)說(shuō)是難以想象的）。
3）、無(wú)二次擊穿；由于普通的功率晶體三極管具有當(dāng)溫度上升就會(huì)招致集電極電流上升（正的溫度～電流特性）的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會(huì)招致溫度進(jìn)一步的上升，溫度進(jìn)一步的上升，更進(jìn)一步的招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降落，這就構(gòu)成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)降落最終招致晶體三極管的擊穿，這是一種招致電視機(jī)開(kāi)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(dāng)管溫度（或環(huán)境溫度）上升時(shí)，溝道電流IDS反而降落。例如；一只IDS=10A的MOS FET開(kāi)關(guān)管，當(dāng)VGS控制電壓不變時(shí)，在250C溫度下IDS=3A，當(dāng)芯片溫度升高為1000C時(shí)，IDS降低到2A，這種因溫度上升而招致溝道電流IDS降落的負(fù)溫度電流特性，使之不會(huì)產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象，可見(jiàn)采用MOS管作為開(kāi)關(guān)管，其開(kāi)關(guān)管的損壞率大幅度的降低，近兩年電視機(jī)開(kāi)關(guān)電源采用MOS管替代過(guò)去的普通晶體三極管后，開(kāi)關(guān)管損壞率大大降低也是一個(gè)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(gè)極低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個(gè)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(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)等效的電阻是一個(gè)非線性的電阻（電阻上的電壓和流過(guò)的電流不能契合歐姆定律），而MOS管作為開(kāi)關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個(gè)阻值極小的電阻，但是這個(gè)電阻等效一個(gè)線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過(guò)的電流契合歐姆定律的關(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(gè)線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當(dāng)這樣兩個(gè)電阻并聯(lián)在一同，就有一個(gè)自動(dòng)電流平衡的作用，所以MOS管在一個(gè)管子功率不夠的時(shí)分，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不用另外增加平衡措施（非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的）。
二：灌流電路
灌流電路MOS管和普通晶體三極管相比，有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在作為大功率開(kāi)關(guān)管應(yīng)用時(shí)，由于MOS管具有的容性輸入特性，MOS管的輸入端，等于是一個(gè)小電容器，輸入的開(kāi)關(guān)鼓舞信號(hào)，理論上是在對(duì)這個(gè)電容中止反復(fù)的充電、放電的過(guò)程，在充放電的過(guò)程中，使MOS管道導(dǎo)通和關(guān)閉產(chǎn)生了滯后，使“開(kāi)”與“關(guān)”的過(guò)程變慢，這是開(kāi)關(guān)元件不能允許的（功耗增加，燒壞開(kāi)關(guān)管），如圖所示，在圖2-1中 A方波為輸入端的鼓舞波形，電阻R為鼓舞信號(hào)內(nèi)阻，電容C為MOS管輸入端等效電容，鼓舞波形A加到輸入端是對(duì)等效電容C的充放電作用，使輸入端理論的電壓波形變成B的畸變波形，招致開(kāi)關(guān)管不能正常開(kāi)關(guān)工作而損壞，處置的方法就是，只需R足夠的小，以致沒(méi)有阻值，鼓舞信號(hào)能提供足夠的電流，就能使等效電容疾速的充電、放電，這樣MOS開(kāi)關(guān)管就能疾速的“開(kāi)”、“關(guān)”，保證了正常工作。由于鼓舞信號(hào)是有內(nèi)阻的，信號(hào)的鼓舞電流也是有限度，我們?cè)谧鳛殚_(kāi)關(guān)管的MOS管的輸入部分，增加一個(gè)減少內(nèi)阻、增加鼓舞電流的“灌流電路”來(lái)處置此問(wèn)題，如圖2-2所示。
在圖2-2中；在作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用的MOS管Q3的柵極S和鼓舞信號(hào)之間增加Q1、Q2兩只開(kāi)關(guān)管，此兩雖然均為普通的晶體三極管，兩雖然接成串聯(lián)銜接，Q1為NPN型Q2為PNP型，基極銜接在一同（理論上是一個(gè)PNP、NPN互補(bǔ)的射極跟隨器），兩雖然等效是兩只在方波鼓舞信號(hào)控制下輪番導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)，如圖2-2-A、圖2-2-B當(dāng)鼓舞方波信號(hào)的正半周來(lái)到時(shí)；晶體三極管Q1（NPN）導(dǎo)通、Q2（PNP）截止，VCC經(jīng)過(guò)Q1導(dǎo)通對(duì)MOS開(kāi)關(guān)管Q3的柵極充電，由于Q1是飽和導(dǎo)通，VCC等效是直接加到MOS管Q3的柵極，瞬間充電電流極大，充電時(shí)間極短，保證了MOS開(kāi)關(guān)管Q3的疾速的“開(kāi)”，如圖2-2-A所示（圖2-2-A和圖2-2-B中的電容C為MOS管柵極S的等效電容）。當(dāng)鼓舞方波信號(hào)的負(fù)半周來(lái)到時(shí)；晶體三極管Q1（NPN）截止、Q2（PNP）導(dǎo)通，MOS開(kāi)關(guān)管Q3的柵極所充的電荷，經(jīng)過(guò)Q2疾速放電，由于Q2是飽和導(dǎo)通，放電時(shí)間極短，保證了MOS開(kāi)關(guān)管Q3的疾速的“關(guān)”，如圖2-2-B所示。
由于MOS管在制造工藝上柵極S的引線的電流容量有一定的限度，所以在Q1在飽和導(dǎo)通時(shí)VCC對(duì)MOS管柵極S的瞬時(shí)充電電流龐大，極易損壞MOS管的輸入端，為了維護(hù)MOS管的安全，在細(xì)致的電路中必需采取措施限制瞬時(shí)充電的電流值，在柵極充電的電路中串接一個(gè)恰當(dāng)?shù)某潆娤蘖麟娮鑂，如圖2-3-A所示。充電限流電阻R的阻值的選取；要根據(jù)MOS管的輸入電容的大小，鼓舞脈沖的頻率及灌流電路的VCC（VCC普通為12V）的大小決議普通在數(shù)十姆歐到一百歐姆之間。
由于充電限流電阻的增加，使在鼓舞方波負(fù)半周時(shí)Q2導(dǎo)通時(shí)放電的速度遭到限制（充電時(shí)是VCC產(chǎn)生電流，放電時(shí)是柵極所充的電壓VGS產(chǎn)生電流，VGS遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VCC,R的存在大大的降低了放電的速率）使MOS管的開(kāi)關(guān)特性變壞，為了使R阻值在放電時(shí)不影響疾速放電的速率，在充電限流電阻R上并聯(lián)一個(gè)構(gòu)成放電通路的二極管D，圖2-3-B所示。此二極管在放電時(shí)導(dǎo)通，在充電時(shí)反偏截止。這樣增加了充電限流電阻和放電二極管后，既保證了MOS管的安全，又保證了MOS管，“開(kāi)”與“關(guān)”的疾速動(dòng)作。
2、另一種灌流電路灌流電路的另外一種方式，關(guān)于某些功率較小的開(kāi)關(guān)電源上采用的MOS管常常采用了圖2-4-A的電路方式。
D為充電二極管，Q為放電三極管（PNP）。工作過(guò)程是這樣，當(dāng)鼓舞方波正半周時(shí)，D導(dǎo)通，對(duì)MOS管輸入端等效電容充電(此時(shí)Q截止)，在當(dāng)鼓舞方波負(fù)半周時(shí)，D截止，Q導(dǎo)通，MOS管柵極S所充電荷，經(jīng)過(guò)Q放電，MOS管完成“開(kāi)”與“關(guān)”的動(dòng)作，如圖2-4-B所示。此電路由鼓舞信號(hào)直接“灌流”，鼓舞信號(hào)源懇求內(nèi)阻較低。該電路普通應(yīng)用在功率較小的開(kāi)關(guān)電源上。
MOS管在開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作時(shí)；Q1、Q2是輪番導(dǎo)通，MOS管柵極是在反復(fù)充電、放電的狀態(tài)，假設(shè)在此時(shí)關(guān)閉電源，MOS管的柵極就有兩種狀態(tài)；一個(gè)狀態(tài)是；放電狀態(tài)，柵極等效電容沒(méi)有電荷存儲(chǔ)，一個(gè)狀態(tài)是；充電狀態(tài)，柵極等效電容正好處于電荷充溢狀態(tài)，圖2-5-A所示。固然電源切斷，此時(shí)Q1、Q2也都處于斷開(kāi)狀態(tài)，電荷沒(méi)有釋放的回路，MOS管柵極的電場(chǎng)仍然存在（能堅(jiān)持很長(zhǎng)時(shí)間），樹(shù)立導(dǎo)電溝道的條件并沒(méi)有消逝。這樣在再次開(kāi)機(jī)瞬間，由于鼓舞信號(hào)還沒(méi)有樹(shù)立，而開(kāi)機(jī)瞬間MOS管的漏極電源(VDS)隨機(jī)提供,在導(dǎo)電溝道的作用下，MOS管即刻產(chǎn)生不受控的龐大漏極電流ID，惹起MOS管燒壞。為了避免此現(xiàn)象產(chǎn)生，在MOS管的柵極對(duì)源極并接一只泄放電阻R1，如圖2-5-B所示，關(guān)機(jī)后柵極存儲(chǔ)的電荷經(jīng)過(guò)R1疾速釋放，此電阻的阻值不可太大，以保證電荷的疾速釋放，普通在5K～數(shù)10K左右。
灌流電路主要是針對(duì)MOS管在作為開(kāi)關(guān)管運(yùn)用時(shí)其容性的輸入特性，惹起“開(kāi)”、“關(guān)”動(dòng)作滯后而設(shè)置的電路，當(dāng)MOS管作為其他用途；例如線性放大等應(yīng)用，就沒(méi)有必要設(shè)置灌流電路。
