MOS管的作用

MOS管及MOS管的驱动电路设计

MOS管及MOS管的驱动电路设计

摘要:本文将对MOSFET的种类,结构,特性及应用电路作一简单介绍,并控讨了一下MOSFET驱动电路设计问题

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。

1、MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET)，可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。右图是这两种MOS管的符号。

至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。

对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。

在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载(如马达)，这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。下图是MOS管的构造图，通常的原理图中都画成右图所示的样子。 (栅极保护用二极管有时不画)

MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，如右图所示。这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，在MOS管的驱动电路设计时再详细介绍。

2、MOS管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况(低端驱动)，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，使用与源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

MOS场效应管原理

场效应管是另一种半导体器件，工作原理与三极管有很大区别。场效应管是电压控制电流的器件，工作时不从前级电路取电流，因此，场效应管电路的输入电阻高。另外，场效应管的制作工艺简单，功率损耗小，在集成电路中有广泛应用。场效应管容易受静电击穿而损坏，使用时要注意保护。

场效应管有两种：一种称为结型场效应管；另一种是绝缘栅型场效应管，又称MOS管。下面分别简要介绍它们的结构和工作原理。 1.6.1 三极管的电路模型

1．工作原理

根据导电沟道的不同，结场效应管分成N沟道结型场效应管和P沟道结型场效应管，下面仅以N沟道结型场效应管为例说明其工作原理。场效应管是一种载流子导电，这是与三极管的根本区别，有时将三极管称为双极型晶体管。

（1）N沟道场结型效应管的结构和工作原理如下图所示，在一块N型半导体上分别制作出两个P型区，分别引出电极。三个电极分别称为栅极（G）、源极（S）和漏极（D）。

在两种半导体的交界面处会形成PN结（PN结‐‐采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。），PN结的耗尽区内没有载流子（载流子包括自由电子和空穴 ‐‐‐‐‐共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴）。使用时D‐S间加正电压，G‐S间加负电压。对于一定的uGS值，uDS的存在使得耗尽区的形状上下不对称，上部较宽而下部较窄。但是只要较宽的部分没有相接触，从D到S之间就有导电沟道存在，从D到S相当于有一个非线性电阻（电阻两端的电压与通过它的电流成正比，其伏安特性曲线为直线这类电阻称为线性电阻，其电阻值为常数；反之，电阻两端的电压与通过它的电流不是线性关系称为非线性电阻，其电阻值不是常数）。

当uDS增加到一定值时，上部两边的PN结相互接触，称为予夹断。予夹断后D‐S间的电流由下部没有夹断部分导电沟道的载流子形成，基本不随uDS的增加而增加，呈现恒流特性。此恒流电流受uGS值控制，uGS反向电压uGS越小，iD越大。

MOS管 基础知识与应用

1，MOS管种类和结构

MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。

至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。

对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。

MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。

在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 2，MOS管导通特性

导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

下图是瑞萨2SK3418的Vgs电压和Vds电压的关系图。可以看出小电流时，Vgs达到4V，DS间压降已经很小，可以认为导通。

增强型 N沟道 是G大于D 5V以上即高电平时导通

增强型 P沟道

耗尽型 N沟道 是G小于D 5V以上即低电平时导通

耗尽型 P沟道

3，MOS开关管损失

MOS管学习笔记

主要内容

MOS管的种类及结构

MOS管的工作原理

MOS管的主要参数

MOS管的驱动

MOS管的种类及结构

MOS管的全称是：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）

导电载流子的带

电极性N沟道（电子型）

P沟道（空穴型）

导电沟道形成机

理增强型（E型）

耗尽型（D

型）组合共有4种类型分类

在实际应用中，只有N沟道增强型和P沟道增强型，这两种中比较常用

的是NMOS管，原因是导通电阻小，且容易制造。



结构

符号

剖面图以一块掺杂浓度较低，电阻率较高的P型硅半导体薄片作为衬底，利用扩散

的方法在P型硅中形成两个高掺杂的N+区。然后在P型硅表面生长一层很薄的

二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅表面及N+型区的表面上分别安装三个铝电

极——栅极g，源极s和漏极d，这样就形成了

N沟道增强型MOS管。

（1）Vgs=0，没有导电沟道

此时栅源短接，源区，衬底和漏区形成两个

背靠背的PN结，无论Vds的极性怎样，其中

总有一个PN结是反偏的，所以d,s之间没有

形成导电沟道，MOS管处于截止状态。

（2）Vgs≥ V

GS(th），出现N沟道

栅源之间加正向电压由栅极指向P型衬

底的电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥形成耗尽层MOS管的工作原理

NMOS的特性：Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动）

-

--s

二氧化硅

P衬底gDDV

+

Nd

+

bNV

GG

i

d

再增加Vgs纵向电场

将P区少子（电子）聚集到P区表面

形成源漏极间的N型导电沟道

如果此时加有漏源电压，就可以形成漏

极电流i

d定义：开启电压V

GS(th）——

刚刚产生导电沟道所需的栅源

电压Vgs

（

3

）输出特性曲线

MOS的输出特性曲线是指在栅源电压Vgs> V

GS(th）且恒定的情况下，漏极电流

i

d与漏源电压Vds之间的关系，可以分为以下4

段：

a.线性区

当Vds很小时，沟道就像一个阻值与Vds无关的固定电阻，此时i