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MOS管知识普及-结构图文详解与应用

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-01-11 浏览:-

壹芯微作为国内专业生产三极管的生产厂家,生产技术已经是非常的成熟,进口的测试仪器,可以很好的帮组到客户朋友稳定好品质,也有专业的工程师在把控稳定质量,协助客户朋友解决一直客户自身解决不了的问题,每天会分析一些知识或者客户的一些问题,来出来分享,今天我们来说下MOS管知识普及-结构图文详解与应用,请看下方

什么是mos管mos管是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)、半导体。MOS管的source和drain是可以对调的,他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

场效应管(FET),把输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET的增益等于它的跨导, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。市面上常有的一般为N沟道和P沟道,详情参考右侧图片(P沟道耗尽型MOS管)。而P沟道常见的为低压mos管。
场效应管通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体,所以FET管的GATE电流非常小。最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管,或,金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。因为MOS管更小更省电,所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。

mos管基本结构与工作原理mos管学名是场效应管,是金属-氧化物-半导体型场效应管,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:

MOS管

MOS场效应三极管分为:增强型(又有N沟道、P沟道之分)及耗尽型(分有N沟道、P沟道)。N沟道增强型MOSFET的结构示意图和符号见上图。其中:电极 D(Drain) 称为漏极,相当双极型三极管的集电极;
电极 G(Gate) 称为栅极,相当于的基极;
电极 S(Source)称为源极,相当于发射极。
N沟道增强型MOS场效应管结构在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上,制作两个高掺杂浓度的N+区,并用金属铝引出两个电极,分别作漏极d和源极s。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层,在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极g。衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS管。MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。它的栅极与其它电极间是绝缘的。

图(a)、(b)分别是它的结构示意图和代表符号。代表符号中的箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。P沟道增强型MOS管的箭头方向与上述相反,如图(c)所示。

MOS管

N沟道增强型MOS场效应管的工作原理(1)vGS对iD及沟道的控制作用
① vGS=0 的情况从图1(a)可以看出,增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅——源电压vGS=0时,即使加上漏——源电压vDS,而且不论vDS的极性如何,总有一个PN结处于反偏状态,漏——源极间没有导电沟道,所以这时漏极电流iD≈0。
② vGS>0 的情况若vGS>0,则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个电场。电场方向垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场。这个电场能排斥空穴而吸引电子。排斥空穴:使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层。吸引电子:将 P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。
(2)导电沟道的形成:当vGS数值较小,吸引电子的能力不强时,漏——源极之间仍无导电沟道出现,如图1(b)所示。vGS增加时,吸引到P衬底表面层的电子就增多,当vGS达到某一数值时,这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层,且与两个N+区相连通,在漏——源极间形成N型导电沟道,其导电类型与P衬底相反,故又称为反型层,如图1(c)所示。vGS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道电阻越小。
开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压,用VT表示。
上面讨论的N沟道MOS管在vGS<VT时,不能形成导电沟道,管子处于截止状态。只有当vGS≥VT时,才有沟道形成。这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。沟道形成以后,在漏——源极间加上正向电压vDS,就有漏极电流产生。

vDS对iD的影响

MOS管

如图(a)所示,当vGS>VT且为一确定值时,漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。
漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,这里沟道最厚,而漏极一端电压最小,其值为VGD=vGS-vDS,因而这里沟道最薄。但当vDS较小(vDS
随着vDS的增大,靠近漏极的沟道越来越薄,当vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断,如图2(b)所示。再继续增大vDS,夹断点将向源极方向移动,如图2(c)所示。由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区,故iD几乎不随vDS增大而增加,管子进入饱和区,iD几乎仅由vGS决定。

N沟道耗尽型MOS场效应管的基本结构

MOS管

(1)结构:N沟道耗尽型MOS管与N沟道增强型MOS管基本相似。
(2)区别:耗尽型MOS管在vGS=0时,漏——源极间已有导电沟道产生,而增强型MOS管要在vGS≥VT时才出现导电沟道。
(3)原因:制造N沟道耗尽型MOS管时,在SiO2绝缘层中掺入了大量的碱金属正离子Na+或K+(制造P沟道耗尽型MOS管时掺入负离子),如图1(a)所示,因此即使vGS=0时,在这些正离子产生的电场作用下,漏——源极间的P型衬底表面也能感应生成N沟道(称为初始沟道),只要加上正向电压vDS,就有电流iD。
如果加上正的vGS,栅极与N沟道间的电场将在沟道中吸引来更多的电子,沟道加宽,沟道电阻变小,iD增大。反之vGS为负时,沟道中感应的电子减少,沟道变窄,沟道电阻变大,iD减小。当vGS负向增加到某一数值时,导电沟道消失,iD趋于零,管子截止,故称为耗尽型。沟道消失时的栅-源电压称为夹断电压,仍用VP表示。与N沟道结型场效应管相同,N沟道耗尽型MOS管的夹断电压VP也为负值,但是,前者只能在vGS<0的情况下工作。而后者在vGS=0,vGS>0。
P沟道耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同,只不过导电的载流子不同,供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。
MOS管的特性上述MOS管的工作原理中可以看出,MOS管的栅极G和源极S之间是绝缘的,由于SiO2绝缘层的存在,在栅极G和源极S之间等效是一个电容存在,电压VGS产生电场从而导致源极-漏极电流的产生。此时的栅极电压VGS决定了漏极电流的大小,控制栅极电压VGS的大小就可以控制漏极电流ID的大小。这就可以得出如下结论:
1) mos管是一个由改变电压来控制电流的器件,所以是电压器件。
2) mos管道输入特性为容性特性,所以输入阻抗极高。
mos管作用1.可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。
2.很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。
3.可以用作可变电阻。
4.可以方便地用作恒流源。
5.可以用作电子开关。
6.在电路设计上的灵活性大。栅偏压可正可负可零,三极管只能在正向偏置下工作,电子管只能在负偏压下工作。另外输入阻抗高,可以减轻信号源负载,易于跟前级匹配。
mos管发热原因分析做电源设计,或者做驱动方面的电路,难免要用到MOS管。MOS管有很多种类,也有很多作用。做电源或者驱动的使用,当然就是用它的开关作用。

无论N型或者P型MOS管,其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性,不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应,因此在开关应用中,MOS管的开关速度应该比三极管快。其主要原理如图:

MOS管

MOS管的工作原理

在开关电源中常用MOS管的漏极开路电路,如图2漏极原封不动地接负载,叫开路漏极,开路漏极电路中不管负载接多高的电压,都能够接通和关断负载电流。是理想的模拟开关器件。这就是MOS管做开关器件的原理。当然MOS管做开关使用的电路形式比较多了。

MOS管

NMOS管的开路漏极电路
在开关电源应用方面,这种应用需要MOS管定期导通和关断。比如,DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能,这些开关交替在电感里存储能量,然后把能量释放给负载。我们常选择数百kHz乃至1MHz以上的频率,因为频率越高,磁性元件可以更小更轻。在正常工作期间,MOS管只相当于一个导体。因此,我们电路或者电源设计人员最关心的是MOS的最小传导损耗。
我们经常看MOS管的PDF参数,MOS管制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗,对开关应用来说,RDS(ON)也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关,但对于充分的栅极驱动,RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。另外,慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。MOS管数据手册规定了热阻抗参数,其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。
其发热情况有:
1.电路设计的问题,就是让MOS管工作在线性的工作状态,而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关,G级电压要比电源高几V,才能完全导通,P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗,等效直流阻抗比较大,压降增大,所以U*I也增大,损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。
2.频率太高,主要是有时过分追求体积,导致频率提高,MOS管上的损耗增大了,所以发热也加大了。
3.没有做好足够的散热设计,电流太高,MOS管标称的电流值,一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流,也可能发热严重,需要足够的辅助散热片。
4.MOS管的选型有误,对功率判断有误,MOS管内阻没有充分考虑,导致开关阻抗增大。

mos管三个极分别是什么及判定方法mos管的三个极分别是:G(栅极),D(漏极)s(源及),要求栅极和源及之间电压大于某一特定值,漏极和源及才能导通。

MOS管

1.判断栅极GMOS驱动器主要起波形整形和加强驱动的作用:假如MOS管的G信号波形不够陡峭,在点评切换阶段会造成大量电能损耗其副作用是降低电路转换效率,MOS管发烧严峻,易热损坏MOS管GS间存在一定电容,假如G信号驱动能力不够,将严峻影响波形跳变的时间。
将G-S极短路,选择万用表的R×1档,黑表笔接S极,红表笔接D极,阻值应为几欧至十几欧。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无限大,并且交换表笔后仍为无限大,则证实此脚为G极,由于它和另外两个管脚是绝缘的。
2.判断源极S、漏极D将万用表拨至R×1k档分别丈量三个管脚之间的电阻。用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低(一般为几千欧至十几千欧)的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,红表笔接D极。因为测试前提不同,测出的RDS(on)值比手册中给出的典型值要高一些。
3.丈量漏-源通态电阻RDS(on)在源-漏之间有一个PN结,因此根据PN结正、反向电阻存在差异,可识别S极与D极。例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管,RDS(on)=3.2W,大于0.58W(典型值)。
测试步骤:MOS管的检测主要是判断MOS管漏电、短路、断路、放大。
其步骤如下:假如有阻值没被测MOS管有漏电现象。
1、把连接栅极和源极的电阻移开,万用表红黑笔不变,假如移开电阻后表针慢慢逐步退回到高阻或无限大,则MOS管漏电,不变则完好
2、然后一根导线把MOS管的栅极和源极连接起来,假如指针立刻返回无限大,则MOS完好。
3、把红笔接到MOS的源极S上,黑笔接到MOS管的漏极上,好的表针指示应该是无限大。
4、用一只100KΩ-200KΩ的电阻连在栅极和漏极上,然后把红笔接到MOS的源极S上,黑笔接到MOS管的漏极上,这时表针指示的值一般是0,这时是下电荷通过这个电阻对MOS管的栅极充电,产生栅极电场,因为电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通,故万用表指针偏转,偏转的角度大,放电性越好。 

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