做数字电路设计的工程师,MOS晶体管可以说是天天打交道的器件,CPU、MCU、FPGA里面上亿个晶体管基本都是MOS管。但很多人对MOS管的理解停留在"电压控制电流"这个层面,真到做模拟电路或者分析开关损耗时,就发现里面的门道不少。今天从结构、原理到开关特性,把MOS晶体管聊透。
MOS管的全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor),核心结构是在硅衬底上做两个掺杂区(源极和漏极),中间的沟道区域上面覆盖一层氧化硅绝缘层,氧化层上面是栅极金属。栅极跟沟道之间隔着氧化层,所以栅极是绝缘的,基本不流过电流,这也是MOS管被称为"电压控制器件"的原因——靠栅极电压来控制源漏之间的电流。
MOS管分NMOS和PMOS两种。NMOS的源漏是N型掺杂,衬底是P型,当栅极加正电压时,衬底里的空穴被排斥,电子被吸引到沟道表面,形成N型导电沟道,源漏之间导通。PMOS正好相反,源漏是P型,衬底是N型,栅极加负电压时形成P型沟道导通。数字电路里用的CMOS工艺就是把NMOS和PMOS做在同一个芯片上,组成互补结构,静态功耗极低。
MOS管的工作分三个区域:截止区、线性区(三极管区)和饱和区。当栅源电压Vgs小于阈值电压Vth时,沟道没形成,漏极电流Id几乎为零,管子截止。当Vgs大于Vth且漏源电压Vds较小时,管子工作在线性区,Id跟Vds近似成正比,相当于一个受Vgs控制的电阻。当Vds足够大时,沟道在漏端被夹断,管子进入饱和区,Id基本不随Vds变化,只受Vgs控制,这时候MOS管相当于一个恒流源,是模拟放大电路的工作区域。
做开关电源和电机驱动的工程师最关心的是MOS管的开关特性。MOS管从关到开、从开到关不是瞬间完成的,有一个过渡过程,这个过程中管子既不是完全导通也不是完全截止,会产生开关损耗。开关损耗跟栅极电荷Qg、栅极驱动电流、开关频率直接相关。Qg越大,需要的驱动电荷越多,开关速度越慢,损耗越大。所以高速开关应用要选Qg小的MOS管,同时栅极驱动电路要能提供足够大的驱动电流(通常用专用的栅极驱动芯片)。
选型时还有几个参数要注意。第一个是耐压Vdss,要大于实际工作电压的1.5倍以上,留足余量,不然容易击穿。第二个是导通电阻Rds(on),越小越好,导通损耗跟Rds(on)成正比,但Rds(on)小的管子通常Qg大,开关损耗高,需要折中。第三个是封装和散热,大电流应用要选散热好的封装(TO-220、D2PAK),必要时加散热片。第四个是体二极管,MOS管内部源漏之间有一个寄生的体二极管,在续流应用中这个二极管的反向恢复时间会影响效率,选体二极管恢复快的型号。
实际调试中常见的问题是MOS管炸管。炸管的原因通常有几种:Vds超过耐压击穿、栅极电压过高击穿氧化层、过流导致结温过高烧毁、静电击穿栅极。防护措施包括:漏极加TVS管或RC吸收电路抑制尖峰电压、栅极串联电阻和稳压管限幅、PCB走线加粗降低寄生电感、焊接时做好防静电措施。只要把这些细节做到位,MOS管还是很耐用的。
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