MOS管工作原理及芯片汇总29975.pdf

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1、MOS管工作原理及芯片汇总 一：MO 争参数解释 MOS 管介绍 在使用 MOS 管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，一般都要考虑 MOS 的导 通电阻，最大电压等，最大电流等因素。MOSFEK 是 FET 的一种，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，一般主要应用的为增强型的 NMOS 管和增强型的 PMOS 管，所以通常 提到的就是这两种。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 在 MOS 管内部，漏极和源极之间会寄生一个二极管。这个叫体二极管，在驱动 感性负载（如马达）,

2、这个二极管很重要，并且只在单个的 MOS 管中存在此二极管，在集成电路芯片内部通常是没有的。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。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），只要栅极电压达到一定电压（如 4V 或 10V,其他电压，看手册）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

3、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 开关管损失 不管是 NMOS 还是 PMOS,导通后都有导通电阻存在，因而在 DS|i流过电流的 同时，两端还会有电压，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能 量叫做导通损耗。选择导通电阻小的 MOS 管会减小导通损耗。现在的小功率 M OS 管导通电阻一般在几毫欧，几十毫欧左右 MOS 在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS 两端的电压有一个下 降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS 管的损失是电 压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导

4、通损失大得多，而且开关频 率越快，导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。降低开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。MOS 管驱动 MOS 管导通不需要电流，只要 GS 电压高于一定的值，就可以了。但是，我们还 需要速度。在 MOS 管的结构中可以看到，在 GS GD 之间存在寄生电容，而 MOS 管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间 可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计 MOS 管驱动时第一要 注意的是可提供瞬间短路电流的大小。普遍用于高端驱动的 NM

5、OS,导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动 的 MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC 招同，所以这时栅极电压要比 VCC 大(4V 或 10V 其他电压，看手册)。如果在同一个系统里，要得到比 VCC 大的电 压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该 选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动 MOS 管。Mosfet 参数含义说明 Features:Vds：DS 击穿电压.当 Vgs=0V 时，MOW DS 所能承受的最大电压 Rds(on):DS 的导通电阻.当 Vgs=10V 寸，MOW DS 之间的电阻 Id:最大 DS 电流.会随温度的升

6、高而降低 Vgs:最大 GS 电压.一般为：-20V+20V Idm:最大脉冲 DS 电流.会随温度的升高而降低，体现一个抗冲击能力，跟 脉冲时间也有关系 Pd:最大耗散功率 Tj:最大工作结温，通常为 150 度和 175 度 Tstg:最大存储温度 Iar:雪崩电流 Ear:重复雪崩击穿能量 Eas:单次脉冲雪崩击穿能量 BVdss：DS 击穿电压 Idss:饱和 DS 电流，uA 级的电流 Igss:GS 驱动电流，nA 级的电流.gfs:跨导 Qg:G 总充电电量 Qgs:GS 充电电量 Qgd:GD 充电电量 Td(on):导通延迟时间，从有输入电压上升到 10 咐始到 Vds 下降

7、到其幅值 90%的时间 Tr:上升时间，输出电压 VDS 从 90%下降到其幅值 10%的时间 Td(off):关断延迟时间，输入电压下降到 90%开始到 VDS 上升到其关断电压 时 10%的时间 Tf:图 4）。下降时间，输出电压 VDS 从 10%上升到其幅值 90%的时间(参考 Ciss:输入电容，Ciss=Cgd+Cgs.Coss:输出电容，Coss=Cds+Cgd.Crss:反向传输电容,Crss=Cgc.二：N 沟道 MOS 管的结构及工作原理 N 沟道金属-氧化物-半导体场效应管（MOSW）的结构及工作原理 结型场效应管的输入电阻虽然可达 106109W 但在要求输入电阻 更高

8、的场合，还是不能满足要求。而且，由于它的输入电阻是 PN 结的 反偏电阻，在高温条件下工作时，PN 结反向电流增大，反偏电阻的阻值 明显下降。与结型场效应管不同，金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET 的栅极与半导体之间隔有二氧化硅（SiO2）绝缘介质，使栅极处于绝缘 状态（故又称绝缘栅场效应管），因而它的输入电阻可高达 1015W 它 的另一个优点是制造工艺简单，适于制造大规模及超大规模集成电路。MO 蟹也有 N 沟道和 P 沟道之分，而且每一类又分为增强型和耗尽 型两种，二者的区别是增强型 MO 管在栅-源电压 vGS=0 时，漏-源极之 间没有导电沟道存在，即使加上电压 vDS（在一

9、定的数值范围内），也 没有漏极电流产生（iD=0）。而耗尽型 MO 糖在 vGS=0 时，漏-源极间 就有导电沟道存在。一、N 沟道增强型场效应管结构 0 截止区 土 5 a）N 沟道增强型 MO 漪结构示意图 l-衬一衬底(b)N 沟道增强型 MO 糖代表符号(c)P 沟道增强型 MO 管代 表符号 在一块掺杂浓度较低的 P 型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个 高掺J预夹断点轨逊 V05J 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。然后在半导体表面复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。另外在衬底上也引出

10、一个 电极B,这就构成了一个 N 沟道增强型 MOSt。显然它的栅极与其它电 极间是绝缘的。图 1(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 MOST 的 箭头方向与上述相反，如图 1(c)所示。MOS/CMQB成电路 MO 策成电路特点：制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单，集成度高、抗干扰能力强，特别适合丁大规模集成电路。MO成电路包括：NMO霸组成的NMO食路、PMO酹组成的PMO 政路及由 NMOS 日 PMOS5 种管子 组成的互补 MO 驰路，即 CMO 使路。PMO电路与 NMO

11、食路的原理完全相同，只是 电源极性相反 而已。数字电路中 MOSft 成电路所使用的 MO%均为增强型管子，负载常用 MOST 作为 有源负载，这样不仅节省了硅片面积，而且简化了工艺利丁大规模集成。常用的 符号如图 1 所示 1D 1口 G 4|S G-H 1司 图 1 NOS 管的符号(a)NHOS 管(UPM0S 管 N沟MOS!体管 金届-氧化物-半导体（Metal-Oxide-SemIConductor）结构的晶体管简称 MO 旎 j 体 管，有 P 型 MOffi N 型 MO 筝之分。MO 争构成的集成电路称为 MO 策成电路，而PMO 酹和 NMO 蕾共同构成的互补型 MO 策成

12、电路即为 CMO 蕖成电路。由 p 型衬底和两个高浓度 n 扩散区构成的 MO 骆叫作 n 沟道 MOS，该管导通时 在两个高浓度 n 扩散区间形成 n 型导电沟道。n 沟道增强型 MOSf 必须在栅极上 施加正向偏压，且只有栅源电压大丁阈值电压时才有导电沟道产生的 n 沟道 MOS 管。n 沟道耗尽型 MOST 是指在不加栅压（栅源电压为零）时，就有导电沟道产 生的n 沟道 MOSS%NMO 集成电路是 N 沟道 MO 驰路，NMOSK 成电路的输入阻抗很高，基本上不需 要吸收电流，因此，CMO 舫 NMO 集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。NMOS 集成电路大多采用单组正电源供电，并且

13、以 5V 为多。CMOS!成电路只要选用与 NMO 集成电路相同的电源，就可与 NMO 集成电路直接连接。不过，从 NMOSJ CMO 直接连接时，由丁 NMO 励出的高电平低丁 CMOS!成电路的输入高电平，因而需要使用一个（电位）上拉电阻 R,R 的取值一般选用 2100KQ。N沟道增强型MO$的结构 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 NH+X,并用金届 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，在漏一一源极问的绝 缘层上再装上一个铝电极，作为栅极 g。在衬底上也引出一个电极 B,这就构成了一个 N 沟道

14、增强型 MO 筝。MOST 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）0 它的栅极与其它电极问是绝缘的 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 MO 筝的箭头方向与上述相反，如图（c）所 示。N沟道增强型MO$0 的情况 若 vG 多 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 丁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

15、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，漏一一源极之间仍无导电沟道出现，如图 1(b)所示。vG 时曾加时，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+S 相连通，在漏一一源极问形成 N 型导电沟道，其导电类型与 P 衬底相反，故 乂称为反型层，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一一源极电压称为开启电压，用 VT 表示。上面讨论的 N

16、沟道 MO 筝在 vG&VT 时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当 vG 牛 VT 时，才有沟道形成。这种必须在 vG 牛 VT 时才能形成导电沟道的 MO筝称为增强型 MO 争。沟道形成以后，在漏一一源极问加上正向电压 vDS,就有漏极电流产生。vDS 对 iD 的影响 如图(a)所示，当 vGSVfi 为一确定值时，漏一一源电压 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问的电压不再相等，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 vD&因而这里沟道最薄。但当 vDS 较小

17、(vDSvGS VT)时，它对沟道的影响不 大，这时只要 vGS一定，沟道电阻几乎也是一定的，所以 iD 随 vDS 近似呈线性 变化。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=vGSVT)时，沟道在漏极一端出现预夹断，如图 2(b)所示。再继 续增大 vD&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沟道增强型MO$的特性曲线、电流方程及参数(1)特性曲线和电流方程 1)输出特性曲线 N 沟

18、道增强型 MO 争的输出特性曲线如图 1(a)所示。与结型场效应管一样，其输 出特性曲线也可分为可变电阻区、饱和区、截止区和击穿区几部分。2)转移特性曲线 转移特性曲线如图 1(b)所示，由丁场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区(包流区)，此时 iD 几乎不随 vDS 而变化，即不同的 vDS 所对应的转移特性曲线几 乎是重合的，所以可用 vDS 大丁某一数值(vDSvGS-VT)后的一条转移特性曲线 代替饱和区的所有转移特性曲线.3)iD 与 vGS 的近似关系 与结型场效应管相类似。在饱和区内，iD 与 vGS 的近似关系式为 JD，妇 1（也）式中 IDO 是 vGS=2VT 寸的漏极

19、电流 iD。(2)参数 MO 筝的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型 MOST 中不用夹断电压 VP，而用开启电压 VT 表征管子的特性。N沟道耗尽型MO$的基本结构(D 结构:N 沟道耗尽型 MO 争与 N 沟道增强型 MO 筝基本相似。(2)区别：耗尽型 MO 筝在 vGS=0 寸，漏一一源极问已有导电沟道产生，而增强型 MO 领要 在vG 牛 VT 时才出现导电沟道。(3)原因：制造 N 沟道耗尽型 MO 筝时，在 SiO2 绝缘层中掺入了大量的碱金届正离子 Na+或K+(制造 P 沟道耗尽型 MO 争时掺入负离子)，如图 1(a)所示，因此即使 vGS=0 时，在这些正离子产生

20、的电场作用下，漏源极问的 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 vD&就有电流 iD。如果加上正的 vG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 趋丁零，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 MOST 的夹断 电压 VP 也为负值，但是，前者只能在 vGS0 VPvGS情况下均能实现对 i

21、D的控制，而且仍能保持栅一一源极问 有很大的绝缘电阻，使栅极电流为零。这是耗尽型 MO%的一个重要特点。图(b)、(c)分别是 N 沟道和 P 沟道耗尽型 MOST 的代表符号。(4)电流方程：I%J 在饱和区内，耗尽型 MOSt 的电流方程与结型场效应管的电流方程相同，即：各种场效应管特性比较 P沟MOS!体管 金届氧化物半导体场效应(MOS 漏体管可分为 N 沟道与 P 沟道两大类，P 沟道硅 MO豳效应晶体管在 N 型硅衬底上有两个 P+K,分别叫做源极和漏极，两极之间 不通导，栅极上加有足够的正电压（源极接地）时，栅极下的 N 型硅表面呈现 P 型反型层，成为连接源极和漏极的沟道。改变

22、栅压可以改变沟道中的电子密度，从而改变沟道的电阻。这种 MO 舫效应晶体管称为 P 沟道增强型场效应晶体管。如果 N 型硅衬底表面不加栅压就已存在 P 型反型层沟道，加上适当的偏压，可使 沟道的电阻增大或减小。这样的 MO 舫效应晶体管称为 P 沟道耗尽型场效应晶体 管。统称为 PMOSJ体管。P 沟道 MO 醐体管的空穴迁移率低，因而在 MOS!体管的几何尺寸和工作电压绝 对值相等的情况下，PMO 品体管的跨导小丁 N 沟道 MO 品体管。此外，P 沟道 MO 醐体管阈值电压的绝对值一般偏高，要求有较高的工作电压。它的供电电源 的电压大小和极性,与双极型晶体管一一晶体管逻辑电路不兼容。PMO

23、逻辑摆 幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更低，在 NMO 食路（见 N 沟道金届一氧化物一半导体集成电路）出现之后，多数已为 NMO 食路所取代。只是,因 PMO 政路工艺简单，价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采 用 PMOSI 路技术。PMO 蕖成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS1 成电路采用-24V 电压供电。如图 5 所示的 CMOS-PM 眶口电路采用两种电源供电。采用直 接接口方式，一般 CMOS 勺电源电压选择在 1012V 就能满足 PMOSt 输入电平的 要求。MOS 中效应晶体管具有很高的输入阻抗，在电路中便丁直接耦合，容易制成

24、规模 大的集成电路。各种场效应管特性比较 三：SO-8（贴片8脚）封装MOS管 IRF7805Z勺引脚 图。凰即，农SHU上图中有小圆点的为1脚 注：下表按电流降序排列 我尽量补充）（如有未列出的，可回帖,封装形式 极性 型号 SO-8 N 型 SI4336 SO-8 N 型 IRF7831 SO-8 N 型 IRF7832 SO-8 N 型 IRF7822 SO-8 N 型 IRF7836 SO-8 N 型 IRF8113 SO-8 N 型 SI4404 SO-8 N 型 FDS6688 SO-8 N 型 IRF7805Z SO-8 N 型 IRF7477 SO-8 N 型 IRF8721

25、SO-8 N 型 IRF7805 SO-8 N 型 IRF7805Q SO-8 N 型 IRF7413 SO-8 N 型 TPC8003 SO-8 N 型 IRF7477 电流(A)耐压(V)(m Q)22 30 4.2 21 30 3.6 20 30 4 18 30 17 30 5.7 17 30 5.6 17 30 8 16 30 6 16 30 6.8 14 30 8.5 14 30 8.5 13 30 13 30 11 12 30 18 12 30 6 11 30 20 S0&NB S0&NB S0&NB S0&NB S0&NB S0&N睫 S0&NB S0&NB S0&NB S0&S

26、0&S0&S0&S0&S0&S0&S0&S0&PB PB PB PB PB PB PB PB PB SO&PK SO&pBSO&p睫SO&pBSO&p睫SO&pBSO&pBSO&p睫TOM52NBTO&NBTOM20NBTOM20NBTOM20NBTOM20NBTOM20NBTOM20NBTOM20NBT9220NB 一RF7811 一RF7466s_441。s_4420A27。一RF7807s_4812s_9410 一RF7313s_4405STM4439AFDS6679s_4411s_4463s_4407 一RF7424 一RF7416 一RF7416Q s_4425 一RF7424 s_

27、4435 S_4435DY A2716 一RF7406 s_9435 一RF7205 FDD6688 一RF150 一RF3703 一RL3803 一RF1405 一RF3205 BUZ111S 05N05 一RF2804 60N06 11 3012 103015 103014 10 3010 9 307.3 8.3 3。7.3 3028 6.93050 63029 17307U1 143018 13309 13308 12.3 2016 12 3。11 3013U1 10 3020 1。3。2。93。198003。22 8302。8302。73011.3 5003。As 5.3305。4.6307。84305 401。055 21。30200 14。3。6 131555.3 110558 80558 755。9U1 75402 6。6。14TO-220 N 型 50N03L 28 25 21 TO-220 N 型 BTS120 19 100 100 TO-220 N 型 BTS110 10 100 200 TO-220 N 型 06N60 5.5 600 750