简单介绍MOSFET的原理,mos管工作原理 2024-02-13 17:59:24 0 0 描述 MOSFET 简介 MOSFET就是以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应晶体管,其特点是用栅极电压来控制漏极电流。 以N沟道增强型NMOSFET为例,用一块P型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极)。 MOSFET 种类 按照制作工艺可以区分为为增强型、耗尽型、P沟道、N沟道共4种类型,在实际应用中,以增强型的NMOS和增强型的PMOS为主。 怎么区分是N沟道还是P沟道:中间的箭头指向内部的是N沟道,反之,则是P沟道。 怎么区分是增强型还是耗尽型:中间是虚线的是增强型,是实线的是耗尽型。 MOSFET 基本工作原理 通过改变栅源电压VGS来控制沟道的导电能力,从而控制漏极电流ID。因此它是一个电压控制型器件。转移特性反映了栅源电压对漏极电流的控制能力 。 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4V或10V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。 增强型和耗尽型 耗尽型MOS管在G端(Gate)不加电压时有导电沟道存在,而增强型MOS管只有在开启后,才会出现导电沟道;两者的控制方式也不一样,耗尽型MOS管的VGS(栅极电压)可以用正、零、负电压控制导通,而增强型MOS管必须达到VGS(th)(栅极阈值电压)才能导通。 (1)增强型:栅极与衬底间不加电压时,栅极下面没有沟道存在,也就是说,对于NMOS,阈值电压大于0;PMOS,小于0。 (2)耗尽型:栅极与衬底间不加电压时,栅极下面已有沟道存在,也就是说,对于NMOS,阈值电压小于0;PMOS,大于0。 N MOS增强型 (1)当VGS=0时管子是呈截止状态; (2)若0<VGS<VGS(th)时,不足以形成导电沟道将漏极和源极沟通,所以仍然不足以形成漏极电流ID; (3)当VGS>VGS(th)时( VGS(th)称为开启电压),可以形成导电沟道将漏极和源极沟通。如果此时加有漏源电压,就可以形成漏极电流ID。随着VGS的继续增加,ID将不断增加。 N MOS耗尽型 (1)当VGS=0时,导电沟道已经存在,管子是呈导通状态,只要有漏源电压,就有漏极电流存在; (2)若VGS > 0 时,将使ID进一步增加; (3)当VGS <> N MOS工作状态 (1)当 VGS <> (2)若VGS > VGS(th) 时, VDS <> (3)若VGS > VGS(th) 时, VDS > VGS- VGS(th),饱和区(恒流区)。 当MOS管 工作在变阻区内时,其沟道是“畅通”的,相当于一个导体。在 VDS <> MOS管 工作在饱和区(恒流区)与 BJT 的饱和区不同,称 MOS管此区为饱和区,主要表示 VDS 增加 ID 却几乎不再增加——也即电流饱和。其实在此饱和区内,MOS管 和 BJT 都处于受控恒流状态,故也称其为恒流区。 MOS管的寄生电容 Mos管的漏、源、栅极间都有寄生电容,分别为Cds、Cgd、Cgs。 Cds=Coss (输出电容); Cgd+Cgs=Ciss (输入电容); MOS 管的开关过程 下面以MOS管开关过程中栅极电荷特性图进行讲解, VTH:开启阀值电压; VGP:米勒平台电压; VCC:驱动电路的电源电压; VDD:MOSFET关断时D和S极间施加的电压 MOS 管的开关过程 t1阶段:当驱动开通脉冲加到MOSFET的G极和S极时,输入电容Ciss充电直到FET开启为止,开启时有Vgs=Vth,栅极电压达到Vth前,MOSFET一直处于关断状态,只有很小的电流流过MOSFET,Vds的电压Vdd保持不变。 t2阶段:当Vgs到达Vth时,漏极开始流过电流ID,然后Vgs继续上升,ID也逐渐上升,Vds保持Vdd不变,当Vds到达米勒平台电压Vgp时, ID也上升到负载电流最大值ID,Vds的电压开始从Vdd下降。 t3阶段:米勒平台期间,ID继续维持ID不变,Vds电压不断的降低,米勒平台结束时刻,iD电流仍维持ID,Vds电压降到—个较低的值。米勒平台的高度受负载电流的影响,负载电流越大,则ID到达此电流的时间就越长,从而导致更高的Vgp。 t4阶段:米勒平台结束后, iD电流仍维持ID,Vds电压继续降低,但此时降低的斜率很小,因此降低的幅度也很小,最后稳定在Vds=Id×Rds(on) , 因此通常可以认为米勒平台结束后MOSFET基本上已经导通。所以为了减少开通损耗,一般要尽可能减少米勒平台的时间。 t1和t2阶段,因为Cgs>>Cgd ,所以驱动电流主要是为Cgs充电(QGS)。t3阶段,因为Vds从Vdd开始下降,Cgd放电,米勒电流igd分流了绝大部分的驱动电流(QGD),使得MOSFET的栅极电压基本维持不变。t4阶段,驱动电流主要是为Cgs充电(Qs)。 确认MOSFET类型 (1)常用的MOS管G D S三个引脚是固定的,不管是N沟道还是P沟道都一样,如下图所示,把芯片放正,从左到右分别为G极、D极、S极。(具体以FET SPEC为准) (2)借助FET的寄生二极管来辨别管子是N沟道还是P沟道。将万用表档位拨至二极管档,红表笔接S,黑表笔接D,有数值显示,反过来接无数值,说明是N沟道,若情况相反是P沟道。 收藏(0)