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你想了解的都在這里|MOS管及其擴(kuò)展知識總結(jié)-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2020-11-26 

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你想了解的都在這里|MOS管及其擴(kuò)展知識總結(jié)-KIA MOS管


MOS管及其擴(kuò)展知識

今天簡單總結(jié)一下MOS管,金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類, P溝道硅MOS場效應(yīng)晶體管在N型硅襯底上有兩個P+區(qū),分別叫做源極和漏極,兩極之間不通導(dǎo),源極上加有足夠的正電壓(柵極接地)時,柵極下的N型硅表面呈現(xiàn)P型反型層,成為連接源極和漏極的溝道。


改變柵壓可以改變溝道中的空穴密度,從而改變溝道的電阻。這種MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管。如果N型硅襯底表面不加?xùn)艍壕鸵汛嬖赑型反型層溝道,加上適當(dāng)的偏壓,可使溝道的電阻增大或減小。


這樣的MOS場效應(yīng)晶體管稱為P溝道耗盡型場效應(yīng)晶體管。統(tǒng)稱為PMOS晶體管。


下圖是本文知識點(diǎn)


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


場效應(yīng)管分類

場效應(yīng)管分為結(jié)型(JFET)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體型(MOSFET)兩種類型。JFET的英文全稱是Junction Field-Effect Transistor,也分為N溝道和P溝道兩種,在實(shí)際中幾乎不用。


MOSFET英文全稱是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,應(yīng)用廣泛,MOSFET一般稱MOS管。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


MOSFET有增強(qiáng)型和耗盡型兩大類,增強(qiáng)型和耗盡型每一類下面都有NMOS和PMOS。增強(qiáng)型MOS管的英文為Enhancement MOS或者EMOS,耗盡型MOS管的英文為Depletion MOS或者DMOS。


一般主板上使用最多的是增強(qiáng)型MOS管,NMOS最多,一般多用在信號控制上,其次是PMOS,多用在電源開關(guān)等方面,耗盡型幾乎不用。


N和P區(qū)分

如下紅色箭頭指向G極的為NMOS,箭頭背向G極的為PMOS。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


寄生二極管

由于生產(chǎn)工藝,一般的MOS管會有一個寄生二極管,有的也叫體二極管。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路

紅色標(biāo)注的為體二極管


從上圖可以看出NMOS和PMOS寄生二極管方向不一樣,NMOS是由S極→D極,PMOS是由D極→S極。


寄生二極管和普通二極管一樣,正接會導(dǎo)通,反接截止,對于NMOS,當(dāng)S極接正,D極接負(fù),寄生二極管會導(dǎo)通,反之截止;對于PMOS管,當(dāng)D極接正,S極接負(fù),寄生二極管導(dǎo)通,反之截止。


某些應(yīng)用場合,也會選擇走體二極管,以降低DS之間的壓降(體二極管的壓降是比MOS的導(dǎo)通壓降大很多的),同時也要關(guān)注體二極管的過電流能力。


當(dāng)滿足MOS管的導(dǎo)通條件時,MOS管的D極和S極會導(dǎo)通,這個時候體二極管是截止?fàn)顟B(tài),因?yàn)镸OS管的導(dǎo)通內(nèi)阻極小,一般mΩ級別,流過1A級別的電流,也才mV級別,所以D極和S極之間的導(dǎo)通壓降很小,不足以使寄生二極管導(dǎo)通,這點(diǎn)需要特別注意。


導(dǎo)通條件

MOS管是壓控型,導(dǎo)通由G和S極之間壓差決定。對NMOS來說,Vg-Vs>Vgs(th),即G極和S極的壓差大于一定值,MOS管會導(dǎo)通,但是也不能大太多,否則燒壞MOS管,開啟電壓和其他參數(shù)可以看具體器件的SPEC。


對PMOS來說,Vs-Vg>Vgs(th),即S極和G極的壓差大于一定值,MOS管會導(dǎo)通,同樣的,具體參數(shù)看器件的SPEC。


基本開關(guān)電路

NMOS管開關(guān)電路

當(dāng)GPIO_CTRL電壓小于MOS管開啟電壓時,MOS管截止,OUT通過R1上拉到5V,OUT=5V。


當(dāng)GPIO_CTRL電壓大于MOS管開啟電壓時,MOS管導(dǎo)通,D極電壓等于S極電壓,即OUT=0V。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


PMOS管開關(guān)電路

PMOS管最常用在電源開關(guān)電路中,下圖所示,當(dāng)GPIO_CRTL=0V時,S和G極壓差大于MOS管開啟電壓時,MOS管導(dǎo)通,5V_VOUT=5V_VIN。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


與三極管的區(qū)別

三極管是電流控制,MOS管是電壓控制,主要有如下的區(qū)別:


1,只容許從信號源取少量電流的情況下,選用MOS管;在信號電壓較低,有容許從信號源取較多電流的條件下,選用三極管。


2,MOS管是單極性器件(靠一種多數(shù)載流子導(dǎo)電),三極管是雙極性器件(既有多數(shù)載流子,也要少數(shù)載流子導(dǎo)電)。


3,有些MOS管的源極和漏極可以互換運(yùn)用,柵極也可正可負(fù),靈活性比三極管好。


4,MOS管應(yīng)用普遍,可以在很小電流和很低電壓下工作。


5,MOS管輸入阻抗大,低噪聲,MOS管較貴,三極管的損耗大。


6,MOS管常用來作為電源開關(guān),以及大電流開關(guān)電路、高頻高速電路中,三極管常用來數(shù)字電路開關(guān)控制。


G和S極串聯(lián)電阻的作用

MOS管的輸入阻抗很大,容易受到外界信號的干擾,只要少量的靜電,就能使G-S極間等效電容兩端產(chǎn)生很高的電壓,如果不及時把靜電釋放掉,兩端的高壓容易使MOS管產(chǎn)生誤動作,甚至有可能擊穿G-S極,起到一個固定電平的作用。


G極串聯(lián)電阻的作用

MOS管是壓控型,有的情況下,為什么還需要在G極串聯(lián)一個電阻呢?

1,減緩Rds從無窮大到Rds(on)。


2,防止震蕩,一般單片機(jī)的I/O輸出口都會帶點(diǎn)雜散電感,在電壓突變的情況下,可能與柵極電容形成LC震蕩,串聯(lián)電阻可以增大阻尼減小震蕩效果。


3,減小柵極充電峰值電流。


MOS管的米勒效應(yīng)

關(guān)于MOS管的米勒效應(yīng),可以閱讀該網(wǎng)站之前發(fā)布的關(guān)于米勒效應(yīng)的文章。


選型要點(diǎn)

1.電壓值

關(guān)注Vds最大導(dǎo)通電壓和Vgs最大耐壓,實(shí)際使用中,不能超過這個值,否則MOS管會損壞。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


關(guān)注導(dǎo)通電壓Vgs(th),一般MOS管都是用單片機(jī)進(jìn)行控制,根據(jù)單片機(jī)GPIO的電平來選擇合適導(dǎo)通閾值的MOS管,并且盡量留有一定的余量,以確保MOS可以正常開關(guān)。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


2.電流值

關(guān)注ID電流,這個值代表了PMOS管的能流過多大電流,反應(yīng)帶負(fù)載的能力,超過這個值,MOS管也會損壞。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


3.功率損耗

功率損耗需要關(guān)注以下幾個參數(shù),包括熱阻、溫度。熱阻指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時,在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值,單位是℃/W或者是K/W,熱阻的公式為ThetaJA = (Tj-Ta)/P,和功率和環(huán)境溫度都有關(guān)系。


MOS管,場效應(yīng)管,開關(guān)電路


4.導(dǎo)通內(nèi)阻

導(dǎo)通內(nèi)阻關(guān)注PMOS的Rds(on)參數(shù),導(dǎo)通內(nèi)阻越小,PMOS管的損耗越小,一般PMOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻都是在mΩ級別。


5.開關(guān)時間

MOS作為開關(guān)器件,就會有開關(guān)時間概念,在高速電路中,盡可能選擇輸入、輸出電容Ciss&Coss小、開關(guān)時間Ton&Toff短的MOS管,以保證數(shù)據(jù)通信正常。


6.封裝

根據(jù)PCB板的尺寸,選擇合適的PMOS管尺寸,在板載面積有限的情況下,盡可能選擇小封裝;盡量選擇常見封裝,以備后續(xù)選擇合適的替代料。





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