MOS管工作原理及芯片汇总.docx

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MOS管工作原理及芯片汇总

MOS管工作原理及芯片汇总

一：

MOS管参数解释

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。

MOSFET管是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），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间流过电流的同时，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MOS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NMOS，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）相同，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，MOS的DS所能承受的最大电压

Rds（on）:

DS的导通电阻。

当Vgs=10V时，MOS的DS之间的电阻

Id：

    最大DS电流。

会随温度的升高而降低

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％开始到Vds下降到其幅值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:

     下降时间，输出电压VDS从10％上升到其幅值90%的时间（参考图4）。

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（MOS管）的结构及工作原理

结型场效应管的输入电阻虽然可达106~109W，但在要求输入电阻更高的场合，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.

MOS管也有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MOS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（在一定的数值范围内），也没有漏极电流产生（iD=0）。

而耗尽型MOS管在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

a）N沟道增强型MOS管结构示意图

（b）N沟道增强型MOS管代表符号   （c）P沟道增强型MOS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一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。

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MOS管的箭头方向与上述相反，如图1（c）所示。

MOS/CMOS集成电路

MOS集成电路特点：

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，特别适合于大规模集成电路。

MOS集成电路包括：

NMOS管组成的NMOS电路、PMOS管组成的PMOS电路及由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路,即CMOS电路.

PMOS门电路与NMOS电路的原理完全相同，只是电源极性相反而已.

数字电路中MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子，负载常用MOS管作为有源负载，这样不仅节省了硅片面积,而且简化了工艺利于大规模集成。

常用的符号如图1所示。

N沟MOS晶体管

金属—氧化物-半导体（Metal—Oxide-SemIConductor）结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。

MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS集成电路.

由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOS管叫作n沟道MOS管，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MOS管必须在栅极上施加正向偏压，且只有栅源电压大于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MOS管是指在不加栅压（栅源电压为零）时，就有导电沟道产生的n沟道MOS管。

NMOS集成电路是N沟道MOS电路，NMOS集成电路的输入阻抗很高，基本上不需要吸收电流，因此,CMOS与NMOS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，并且以5V为多。

CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源，就可与NMOS集成电路直接连接。

不过，从NMOS到CMOS直接连接时，由于NMOS输出的高电平低于CMOS集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2～100KΩ。

N沟道增强型MOS管的结构

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。

在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。

N沟道增强型MOS管的工作原理

（1）vGS对iD及沟道的控制作用

①vGS=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。

②vGS〉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

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沟道增强型MOS管的特性曲线、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沟道增强型MOS管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，由于场效应管作放大器件使用时是工作在饱和区（恒流区）,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大于某一数值（vDS＞vGS-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

式中IDO是vGS=2VT时的漏极电流iD.

（2）参数

MOS管的主要参数与结型场效应管基本相同，只是增强型MOS管中不用夹断电压VP，而用开启电压VT表征管子的特性。

N沟道耗尽型MOS管的基本结构

（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，VP

图（b）、（c）分别是N沟道和P沟道耗尽型MOS管的代表符号.

（4）电流方程:

在饱和区内，耗尽型MOS管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晶体管

金属氧化物半导体场效应（MOS）晶体管可分为N沟道与P沟道两大类,P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区，分别叫做源极和漏极,两极之间不通导，柵极上加有足够的正电压（源极接地）时，柵极下的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MOS场效应晶体管称为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MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。

统称为PMOS晶体管.

P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低，因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。

此外,P沟道MOS晶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——晶体管逻辑电路不兼容。

PMOS因逻辑摆幅大,充电放电过程长,加之器件跨导小，所以工作速度更低，在NMOS电路（见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路）出现之后，多数已为NMOS电路所取代。

只是，因PMOS电路工艺简单,价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术.

PMOS集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。

PMOS集成电路采用-24V电压供电.如图5所示的CMOS-PMOS接口电路采用两种电源供电.采用直接接口方式，一般CMOS的电源电压选择在10~12V就能满足PMOS对输入电平的要求。

MOS场效应晶体管具有很高的输入阻抗，在电路中便于直接耦合，容易制成规模大的集成电路。

各种场效应管特性比较

三:

SO-8（贴片８脚）封装ＭＯＳ管IRF7805Z的引脚图。

上图中有小圆点的为１脚

注:

下表按电流降序排列（如有未列出的,可回帖,我尽量补充）

封装形式

极性

型号

电流（A）

耐压（V）

导通电阻（mΩ）

SO-8

N型

SI4336

22

30

4。

2

SO-8

N型

IRF7831

21

30

3.6

SO—8

N型

IRF7832

20

30

4

SO—8

N型

IRF7822

18

30

SO—8

N型

IRF7836

17

30

5。

7

SO-8

N型

IRF8113

17

30

5。

6

SO—8

N型

SI4404

17

30

8

SO-8

N型

FDS6688

16

30

6

SO—8

N型

IRF7805Z

16

30

6.8

SO—8

N型

IRF7477

14

30

8。

5

SO-8

N型

IRF8721

14

30

8.5

SO—8

N型

IRF7805

13

30

SO—8

N型

IRF7805Q

13

30

11

SO—8

N型

IRF7413

12

30

18

SO—8

N型

TPC8003

12

30

6

SO—8

N型

IRF7477

11

30

20

SO-8

N型

IRF7811

11

30

12

SO—8

N型

IRF7466

10

30

15

SO-8

N型

SI4410

10

30

14

SO—8

N型

SI4420

10

30

10

SO-8

N型

A2700

9

30

7.3

SO-8

N型

IRF7807

8.3

30

SO-8

N型

SI4812

7。

3

30

28

SO-8

N型

SI9410

6.9

30

50

SO—8

N型

IRF7313

6

30

29

SO-8

P型

SI4405

17

30

7.5

SO-8

P型

STM4439A

14

30

18

SO-8

P型

FDS6679

13

30

9

SO—8

P型

SI4411

13

30

8

SO—8

P型

SI4463

12。

3

20

16

SO—8

P型

SI4407

12

30

SO-8

P型

IRF7424

11

30

13。

5

SO-8

P型

IRF7416

10

30

20

SO—8

P型

IRF7416Q

10

30

20

SO-8

P型

SI4425

9

30

19

SO-8

P型

IRF7424

8.8

30

22

SO—8

P型

SI4435

8

30

20

SO—8

P型

SI4435DY

8

30

20

SO-8

P型

A2716

7

30

11。

3

SO-8

P型

IRF7406

5。

8

30

45

SO-8

P型

SI9435

5.3

30

50

SO—8

P型

IRF7205

4.6

30

70

TO-252

N型

FDD6688

84

30

5

TO-3

N型

IRF150

40

100

55

TO—220

N型

IRF3703

210

30

2。

8

TO-220

N型

IRL3803

140

30

6

TO-220

N型

IRF1405

131

55

5.3

TO-220

N型

IRF3205

110

55

8

TO-220

N型

BUZ111S

80

55

8

TO—220

N型

05N05

75

50

9。

5

TO-220

N型

IRF2804

75

40

2

TO—220

N型

60N06

60

60

14

TO—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