介绍MOS管结构构造、特点及实用电路

时间： 2024-09-12 来源：台懋

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MOS管,MOSFET,Metal Oxide Semicunductor Field Effect Transistor,绝缘栅场效应管

名称

MOS管的英文全称叫MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。因此，MOS管有时被称为绝缘栅场效应管。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。

结构

在一块掺杂浓度较低的P型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，分别作为漏极D和源极S。然后在漏极和源极之间的P型半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅（SiO₂）绝缘层膜，在再这个绝缘层膜上装上一个铝电极，作为栅极G。这就构成了一个N沟道（NPN型）增强型MOS管。显然它的栅极和其它电极间是绝缘的。图1-1所示A、B分别是它的结构图和代表符号。

同样用上述相同的方法在一块掺杂浓度较低的N型半导体硅衬底上，用半导体光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的P+区，及上述相同的栅极制作过程，就制成为一个P沟道（PNP型）增强型MOS管。图1-2所示A、B分别是P沟道MOS管道结构图和代表符号。

图 1-1-A

图 1-2-B

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，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。

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。

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。