MOS管的知识

场效应管分类

场效应管分为结型(JFET)和金属-氧化物-半导体型(MOSFET)两种类型。
JFET的英文全称是Junction Field-Effect Transistor,分为N沟道和P沟道两种,在实际中几乎不用。
MOSFET英文全称是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,应用广泛,一般直接称MOSFET为MOS管。

场效应管分类

MOSFET有增强型和耗尽型两大类,增强型和耗尽型每一类下面都有NMOS和PMOS。
增强型MOS管的英文为Enhancement MOS或者EMOS,耗尽型MOS管的英文为Depletion MOS或者DMOS。
一般使用最多的是增强型MOS管,NMOS最多,一般多用在信号控制上,其次是PMOS,多用在电源开关等方面,耗尽型几乎不用。

N和P区分

如下红色箭头指向G极的为NMOS,箭头背向G极的为PMOS。

N和P管区分

寄生二极管

由于生产工艺,一般的MOS管会有一个寄生二极管,有的也叫体二极管

寄生二极管

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管,当S极接正,D极接负,寄生二极管导通,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,也会选择走体二极管,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。

导通条件

MOS管是压控型,导通由G和S极之间压差决定。
对NMOS来说,Vg-Vs>Vgs(th),即G极和S极的压差大于一定值,MOS管会导通,但是也不能大太多,否则烧坏MOS管,开启电压和其他参数可以看具体器件的SPEC。
对PMOS来说,Vs-Vg>Vgs(th),即S极和G极的压差大于一定值,MOS管会导通,同样的,具体参数看器件的SPEC。

基本开关电路

NMOS管开关电路

当GPIO_CTRL电压小于MOS管开启电压时,MOS管截止,OUT通过R1上拉到5V,OUT=5V。
当GPIO_CTRL电压大于MOS管开启电压时,MOS管导通,D极电压等于S极电压,即OUT=0V。

NMOS管开关电路

PMOS管开关电路

PMOS管最常用在电源开关电路中,下图所示,当GPIO_CRTL=0V时,S和G极压差大于MOS管开启电压时,MOS管导通,5V_VOUT=5V_VIN。

PMOS管开关电路

与三极管的区别

三极管是电流控制,MOS管是电压控制,主要有如下的区别:

  1. 只容许从信号源取少量电流的情况下,选用MOS管;在信号电压较低,有容许从信号源取较多电流的条件下,选用三极管。

  2. MOS管是单极性器件(靠一种多数载流子导电),三极管是双极性器件(既有多数载流子,也要少数载流子导电)。

  3. 有些MOS管的源极和漏极可以互换运用,栅极也可正可负,灵活性比三极管好。

  4. MOS管应用普遍,可以在很小电流和很低电压下工作。

  5. MOS管输入阻抗大,低噪声,MOS管较贵,三极管的损耗大。

  6. MOS管常用来作为电源开关,以及大电流开关电路、高频高速电路中,三极管常用来数字电路开关控制。

MOS管的米勒效应

对于MOSFET,米勒效应Miller Effect指其输入输出之间的分布电容(栅漏电容)在反相放大作用下,使得等效输入电容值放大的效应。 由于米勒效应,MOSFET栅极驱动过程中,会形成平台电压,引起开关时间变长,开关损耗增加,给MOS管的正常工作带来非常不利的影响。
尤其在高频开关电路中,延长开关频率、增加功耗、降低系统稳定性,可谓是臭名昭著,各大厂商都在不遗余力的减少米勒电容。

选型要点

电压值

这里需要关注Vds最大导通电压和Vgs最大耐压。
实际使用中不可超过这个值,否则MOS管会损坏。

Absolute Maximum Ratings

这里演示一个纳米线MOSFET中形成反转通道(电子密度)和达到阈值电压(IV)的模拟结果。
y轴是对数,表示阈值电压达到最低触发值时候极少量的电流通过。

Threshold_formation_nowatermark

电流值

关注Id电流,这个值代表了PMOS管的能流过多大电流,超过这个值MOS管可能会发生损坏。

On Characteristics

功率损耗

功率损耗需要关注以下几个参数,包括热阻、温度。
热阻指的是当有热量在物体上传输时,在物体两端温度差与热源的功率之间的比值,单位是℃/W或者是K/W。
热阻的公式为ThetaJA = (Tj-Ta)/P,和功率和环境温度都有关系。

Maximum Power Dissipation

导通内阻

导通内阻关注PMOS的Rds(on)参数,导通内阻越小,PMOS管的损耗越小,一般PMOS管的导通内阻都是在mΩ级别。

开关时间

MOS作为开关器件,就会有开关时间概念,在高速电路中,尽可能选择输入、输出电容Ciss&Coss小、开关时间Ton&Toff短的MOS管,以保证数据通信正常。

封装

根据PCB板的尺寸,选择合适的PMOS管尺寸,在板载面积有限的情况下,尽可能选择小封装;尽量选择常见封装,以备后续选择合适的替代料。

参考文章

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