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硬件基础知识补全计划【七】MOS 晶体管

article 2024/11/15 19:57:23

一、MOS概述

1.1 什么是MOS管

MOS 是MOSFET的缩写。MOSFET 金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。

记住 MOS管有三个引脚名称：G：gate 栅极；S：source 源极；D：drain 漏极。

简单来说，三极管是电流控制的阻值的电阻，而mos管是电压控制阻值的电阻。

1.2 NMOS 和 PMOS 区分

下图中，左侧是 PMOS，右侧是 NMOS。箭头向外是P，朝内是N。

比较巧妙的记忆办法是放 P 朝外所以是 PMOS。内的拼音是 nei，所以 NMOS 代表内。

1.3 导通方向与导通条件

NMOS 下 G 极高电平导通，低电平断开；PMOS 反之，G 极低电平导通，高电平断开。

导通方向与寄生二极管方向相反。

如果我们顺着寄生二极管方向使用 mos 管，将是一直导通的。

如下图 LED 灯会常亮不受控制。

1.4 NMOS 夹断区、恒流区和可变电阻区分析

Ugs(th) 是开启电压，可以在手册中查到

1.4.1 夹断区

Ugs < Ugs(th)

此时ld = 0，MOS 管导电沟道被夹断，不导通，此时漏极电流Id近似为零。

1.4.2 可变电阻区

Ugs>=Ugs(th)，Uds<(Ugs-Ugs(th))

MOS 管工作在可变电阻区。在此区域内，MOS 管相当于一个可变电阻，其阻值受栅源电压 Vgs 控制。

1.4.3 恒流区

Ugs >= Ugs(th)，Uds >= (Ugs-Ugs(th))，在此区域内，随着漏源电压Vds的增大，漏极电流 Id 仅略微增大，因此可将Id看作是受栅源电压Vgs控制的电流源。

1.4.4 输入特性曲线分析

Ugs < Ugs(th) 时，Id = 0。

Ugs > Ugs(th) 时，Uds 为一常量时，Ugs 越大，ld 越大。

1.3 寄生二极管

因为工艺原因，一般的 mos 管会自带有一个寄生二极管。

判断规则是，NMOS中 S 指向 D。PMOS 中 D 指向 S。

从上图可以看出 NMOS 和 PMOS 寄生二极管方向不一样，NMOS 是由 S 极 → D 极，PMOS 是由 D 极 → S 极。

寄生二极管和普通二极管一样，正接会导通，反接截止，对于 NMOS，当 S 极接正，D 极接负，寄生二极管会导通，反之截止。

对于 PMOS 管，当 D 极接正，S 极接负，寄生二极管导通，反之截止。

某些应用场合，也会选择走寄生二极管，以增大 Ds 之间的压降（体二极管的压降是比 Mos 的导通压降大很多的)，同时也要关注体二极管的过电流能力。

当满足 Mos 管的导通条件时, Mos 管的 D 极和 s 极会导通，这个时候体二极管是截止状态,因为MOS 管的导通内阻极小,一般 mΩ 级别,流过 1A 级别的电流，也才 mV 级别，所以 D 极和 s 极之间的导通压降很小，不足以使寄生二极管导通，这点需要特别注意。

二、MOS 管参数详解

AO3400 数据手册解读

2.1 绝对最大额定值

2.1.1 Vgs 最大栅-源电压

Vgs (Gate-Source Voltage) 是额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压，设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。

2.1.2 Vds 最大栅-源电压

Vds (Gate-Source Voltage) 是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同，实际雪崩击穿电压可能低于额定 VDS。

2.1.3 Id 最大连续漏极电流

Id (Continuous Drain Current) 是栅极能经过的最大电流，受最受温度影响。

2.1.4 Idm 最大脉冲漏极电流

Idm (Pulsed Drain Current) 这个参数同样是 MOSFET 的一个极限参数，但此最大电流值并不代表在运行过程中漏极电流能够达到这个值。它表示当壳温在某一值时，如果MOSFET工作电流为上述最大漏极电流，则结温会达到最大值。所以这个参数还跟器件封装，环境温度有关。

2.2 电气特性

2.2.1 Vgs (th) 栅极阈值电压

Vgs(th) (Gate Threshold Voltage) 是指加的栅源电压能使漏极开始有电流，或关断MOSFET时电流消失时的电压，测试的条件（漏极电流，漏源电压，结温）也是有规格的。正常情况下，所有的 MOS 栅极器件的阈值电压都会有所不同。因此，VGS（th）的变化范围是规定好的。VGS（th）是负温度系数，当温度上升时，MOSFET 将会在比较低的棚源电压下开启。

2.2.3 Rds（on）导通电阻

RDS(on) (Static Drain-Source On-Resistance) 是指在特定的漏电流（通常为ID电流的一半）、栅源电压和 25℃ 的情况下测得的漏-源电阻。可以理解为 MOS 管自身的电阻。

2.2.4 Ciss 输入电容

Ciss (Input Capacitance) 将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成，或者 Ciss=Cgs +Cgd，当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启，放电致一定值时器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响。

2.2.5 Qgs、Qgd 和 Qg

棚电荷栅电荷值反应存储在端子间电容上的电荷，既然开关的瞬间，电容上的电荷随电压的变化而变化，所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响。

栅极电荷 Qg 是产生开关损耗的主要原因。栅极电荷是 MOS 管门极充放电所需的能量，相同电流、电压规格的 MOSFET，具有比较大的栅极电荷意味着在 MOS 开关过程中会损耗更多的能量。所以，为了尽可能降低 MOS 管的开关损耗，工程师在电源设计过程中需要选择同等规格下 Qg 更低的 MOS 管作为主功率开关管。