MOS管简介:PART–0基础知识

PART– 0 基础知识

在讲MOS管之前，我们来回忆一下半导体材料。如下图：

做笔记：

N型半导体杂质为P原子，多子为电子

P型半导体杂质为B原子，多子为空穴

由于杂质半导体中有可自由移动的多子，当N型半导体跟P型半导体相接触，多子发生扩散运动，自由电子与自由空穴复合形成空间电荷区，也就是我们常说的耗尽层。

再做个笔记：耗尽层中没有自由移动的导电粒子。

PN结的结电容的充电过程，实际上可以近似地看做对耗尽层复合的自由带电粒子进行补充。

外加电压：

当PN结外接正偏电压高于PN结两端势垒区的电压时，耗尽层导电粒子补充完毕，可以跟正常杂质半导体一样具备导电能力，电路导通。

相反的，如果PN结外接反偏电压，耗尽层扩大，电路截止。

PART-1 MOS管结构

下文开始介绍MOS管，以增强型N-MOSFET为例子进行讲解。

增强型N-MOSFET，全称：N沟道增强型绝缘栅场效应管，在讲解其结构前，请读者记住几个关键词：

① N沟道

② 绝缘栅

③ 增强型

④ 体二极管

如模电书（童诗白，第四版）中我们熟悉的结构示意图所示，N沟道增强型MOSFET的结构可视为：

在P型半导体衬底上，制作两个N型半导体区域并引两个金属电极，作为源极S与漏极D；并在P衬底上制作一层SiO2绝缘层，另外引一个金属电极作为栅极G。

其结构特征可解释为以下几点：

①由于N型半导体直接加在P型半导体衬底上，两个N区与P区之间会形成耗尽层。

②由于栅极G是加在SiO2绝缘层上，与P型半导体衬底间并不导电，只有电场作用

③栅极G外加电场后，吸引P型半导体中的自由电子，同时填充耗尽层，形成反型层导电沟道，连接两个N型半导体区域，使得增强型N-MOSFET导通。

④ 工艺上制作N-MOSFET时，将源极S与P型半导体衬底直接连接，源极S等同于P型半导体衬底，与漏极D的N型半导体区之间有一个PN结，该PN结即为N-MOSFET的体二极管。

⑤如上图所示，增强型N-MOSFET各电极之间各有一个寄生电容，其中源极S与漏极D之间的电容Cds为其输出电容，结构上为体二极管位置PN结的结电容；栅极G与S极、D极之间的寄生电容Cgd、Cgs之和为输入电容，实质上为形成反型层而吸引的电子（至于为何分为两个电容，下文讲解MOS管开关过程的时候继续解释）。

PART-2 MOS管导通过程

MOS管的导通过程，其实就是形成反型层导电沟道的过程。

重新看回这张图，当栅极G与源极S之间加一个正偏电压Vgs时，增强型N-MOSFET的P型半导体衬底中的电子受电场作用，会被吸引到栅极附近，同时连接两个N型半导体区域，形成反型层导电沟道。

！敲黑板！划重点！

导电沟道刚刚形成的时候那个正偏电压Vgs，称为开启电压Vgs（th）（或称为“阈值电压”）；Vgs大于Vgs（th）的这一段电压区间，称为可变电阻区，MOS管漏极D到源极S的导通阻抗随Vgs增大而降低；当Vgs大于2×Vgs（th）之后，基本视为导通阻抗Rds-on降为最低，s且在温度一致时保持不变，此时增强型N-MOSFET视为完全导通。如下图

故设置开关MOS管驱动电压时，一般设置为远大于2×Vgs（th）。

模电书中给了这么一组图，阐述了当Vgs大于开启电压时，Vds的增大对于流过MOS管的电流iD的影响。

实际上将图序反过来，可以近似地模拟MOS管开启过程反型层的行程过程：

MOS管导电过程可近似理解为：

①由于电场作用，先形成靠近源极S区域的反型层，使得MOS管漏极D到源极S之间可以导通并流过电流iD。

②iD开始流过的同时，反型层逐渐向漏极D扩大，并最终使得靠近漏极D的反型层与靠近源极S的反型层宽度基本一致。

③反型层继续扩大，Rds-on一直降至完全导通，保持不变。

给Cgd充电的过程，Vgs保持不变，此时Rds-on较大，当流过电流iD一定时，MOS管损耗较大。

当栅极G外接电压，MOS管导通过程，Vgs保持不变的区间称为米勒区间，由于反型层的形成过程而影响的Vgs、Rds-on及MOS管损耗变化过程的现象称为米勒效应。下面结合波形详细介绍一下米勒效应。

这是在论坛中一个博客截的一个图，已经很形象地体现了外加栅极驱动性号时，MOS管相关电流电压的变化情况。

（见底部原文链接）

t0-t1：由于栅极电压未到达开启电压，MOS管未导通，如下图

t1-t2： Vgs到达了开启电压，MOS管开始导通，反型层不断拓宽，栅极电压继续升高，如下图：

t2-t3： MOS管位于可变电阻区，保持持续导通，反型层往漏极侧拓宽（大致如下图红框中区域），栅极电压不变，进入米勒平台：

t3-t4：反型层基本拓宽到宽度一致的情况，栅极继续施加驱动电压，整个反型层一齐拓宽，直至栅极电压Vgs与驱动信号源一致，导通阻抗Rds-on：

用MOS管模型看的话，大致如下侧四图，也就解释了为什么反型层的输入电容Ciss要被划分为两个电容Cgs跟Cgd，是因为二者的充电顺序不一样：

PART-3MOS管参数

相信各位读者对MOS管的参数已经耳熟能详了，这里就不再详细说明了，参照上文博客中给出的介绍，这里仅对其中部分参数进行补充说明：

1）、功率MOSFET的绝对最大额定值：

注①：漏源最大电压VDSS，可视为反向施加在体二极管两端的电压值，故只有一个方向。

注②：栅源最大电压VGSS，即施加在栅极电极与源极电极之间的电压，由于栅极与P型半导体衬底中加了SiO2绝缘层，只要电压绝对值超过绝缘层耐压均会击穿，故有两个方向“±”。

注③：漏级最大电流ID与体二极管流过的反向漏级最大电流IDR（或称为IS）一般规格书中数值一致，均为流过N型半导体与P型半导体衬底形成的PN结的最大电流。

注④：ID（pulse）需要看施加电流的脉冲宽度，脉宽不一致的不能沿用规格书数据。

注⑤：雪崩电流IAP同样需要关注脉冲宽度。

2）、静态电特性

注①：Vgs（off）其实就是开启电压Vgs（th），只不过这里看的角度不一样。

注②：看完前文的读者应该知道为什么这里两个Rds（on）大小有差异，不知道的回去前面重新看。

3）、动态点特性

注①：Ciss = Cgs + Cgd ；Coss = Cds ；Crss = Cgd

注②：MOS管开启速度最主要关注的参数是Qg，也就是形成反型层需要的总电荷量！

注③：接通/断开延迟时间t d(on/off)、上升/下降时间tr / tf，各位工程时使用的时候请根据实际漏级电路ID，栅极驱动电压Vg进行判断。

MOS的介绍基本如上，时间及篇幅关系文中不涉及具体电路讲解。图源及主要参考书籍为《模拟电子技术基础,(童诗白.第4版)》，《电子技术基础.模拟部分.(康华光.第5版)》，各位工程师工作时多看会大学课本有时会有不同的收获。