MOS管工作原理2009-08-02 19:45
    双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比（beta）。另一种晶体管，叫 做场效应管（FET），把输入电压的变化转化为输出电流的变化。分别为电流控制器件和电压控制器件。FET的增益等于它的跨导 (transconductance)gm， 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。 
    场效应管的名字也来源于它的输入端栅（称为gate），通过投影一个电场在一个绝缘层（氧 化物SIO2)上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体（只是一个电容的作用），所以FET管的GATE电流非常小（电容的电流损耗）。 最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管，或,金属氧化物半导体场效应管 （MOSFET）（metal oxide semicondutor field effect transistor）。因为MOS管更小更省电，所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。
首先考察一个更简单的器件－MOS电容－能更好的理解MOS管。这个器件有两个电极，一个是 金属，另一个是extrinsic silicon(衬底），他们之间由一薄层二氧化硅分隔开（图1.22A）。金属极就是GATE，而半导体端就是backgate或者body or bulk or background。他们之间的绝缘氧化层称为gate dielectric。图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。这个MOS 电容的电特性能通过把backgate接地，gate接不同的电压来说明。图1.22A中的MOS电容的GATE电位是0V。金属GATE和半导体 BACKGATE在WORK FUNCTION（也可以说是物质组成上）上的差异在电介质（氧化层的上下）上产生了一个小电场。图示的器件中，这个电场使金属极带轻微的正电位（是因为 下面衬底是P型的空穴多，电子少，故需要从别处"抢来"电子，所以氧化物处电子少了，故GATE极带正电），P型硅负电位（相对电子多了）。这个电场把硅 中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对器件整体的特性影响也非常小。
图1.22B中是当MOS电容的GATE相对于BACKGATE正偏置（PN结）时发生的情 况。穿过GATE DIELECTRIC的电场加强了，有更多的电子从衬底被拉了上来。同时，空穴被排斥出表面。随着GATE电压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。 由于过剩的电子，硅表层看上去就像N型硅。掺杂极性的反转被称为"反型"(inversion)，反转的硅层叫做channel(N Pmos的命名就是根据这里来的)。随着GATE电压的持续不断升高，越来越多的电子在表面积累，channel变成了强反转。Channel形成时的电 压被称为阈值电压Vt。当GATE和BACKGATE之间的电压差小于阈值电压时，不会形成channel。当电压差超过阈值电压时，channel就出 现了。（其实还有个亚阈值状态Vgs<Vthrod,此时也有载流子，也有电子通道，不过很小一般忽略，此时耗尽层的负电荷占据主要，以映像栅上的 电压)。

3

图1.22 MOS电容：（A）未偏置（VBG＝0V），（B）反转（VBG＝3V），（C）积累（VBG＝-3V）。
      图1.22C中是当MOS电容的GATE相对于backgate是负电压时的情况（就好像给二极管的PN结加上正电压）。电场反转，往表面吸引空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了，这个器件被认为是处于accumulation（电荷积累）状态了。
        MOS电容的特性能被用来形成MOS管。图1.23A是最终器件的截面图。Gate，电介质和backgate保持原样。在GATE的两边是两个额外的选 择性掺杂的区域。其中一个称为source，另一个称为drain。假设source 和backgate都接地，drain接正电压。只要GATE对BACKGATE的电压仍旧小于阈值电压，就不会形成channel。Drain和 backgate之间的PN结反向偏置，所以只有很小的电流从drain流向backgate。如果GATE电压超过了阈值电压，在GATE电介质下就出 现了channel。这个channel就像一薄层短接drain和source的N型硅。由电子组成的电流从source通过channel流到 drain。总的来说，只有在gate 对source电压V 超过阈值电压Vt时，才会有drain电流。

一.红左，黑中、右 无穷大 
黑左， 红中、右 无穷大
红中，黑右 无穷大；
黑中红右显示530（左右）。
其实场效应管三极管很好判断：有字面朝上从左到右依次为：G、D、S，有些管相反：S、D、G。我修显示器、主板、电源都是从上面的方法测绝对没问题。你不信随便拆块板看一看，场效应管在电路图板的布局及应VMOS大功率场效应晶体管的检测 
二．1判别各电极与管型 
　　用万用表R×100档，测量场效应晶体管任意两引脚之间的正、反向电阻值。其中一次测量中两引脚的电阻值为数百欧姆，这时两表笔所接的引脚为源极S和漏极D，而另一引脚为栅极G。 
　　再用万用表R×10k档测量两引脚（漏极D与源极S）之间的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值为2kΩ左右，反向电阻值大于500kΩ。 
　　在测量反向电阻值时，红表笔所接引脚不动，黑表笔脱离所接引脚后，先与栅极G触碰一下，然后再去接原引脚，观察万用表读数的变化情况。若万用表读数由原来较大阻值变为0，则此红表笔所接的即是源极S，黑表笔所接为漏极D。用黑表笔触发栅极G有效，说明该管为N沟道场效应管。若万用表读数仍为较大值，则黑表笔接回原引脚不变，改用红表笔去触碰栅极G后再接回原引脚，若此时万用表读数由原来阻值较大变为0，则此时黑表笔接的为源极S，红表笔接的是漏极D。用表红笔触发栅极G有效，说明该管为P沟道场效应晶体管。 
2．判别其好坏 
　　用万用表R×1k档或R×10k档，测量场效应管任意两脚之间的正、反向电阻值。正常时，除漏极与源极的正向电阻值较小外，其余各引脚之间（G与D、G与S）的正、反向电阻值均应为无穷大。若测得某两极之间的电阻值接近0Ω，则说明该管已击穿损坏。 
　　另外，还可以用触发栅极（P沟道场效应晶体管用红表笔触发，N沟道场效应管用黑表笔触发）的方法来判断场应管是否损坏。若触发有效（触发栅极G后，D、S极之间的正、反向电阻均变为0），则可确定该管性能良好。 
用吧
三,1   用10K档,内有15伏电池.可提供导通电压. 
2   因为栅极等效于电容,与任何脚不通, 
   不论N管或P管都很容易找出栅极来,否则是坏管. 
3   利用表笔对栅源间正向或反向充电,可使漏源通或断, 
   且由于栅极上电荷能保持,上述两步可分先后,不必同步,方便. 
   但要放电时需短路管脚或反充. 
4   大都源漏间有反并二极管,应注意,及帮助判断. 
5   大都封庄为字面对自已时,左栅中漏右源. 
以上前三点必需掌握,后两点灵活运用,很快就能判管脚,分好坏

在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。
   下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。
1，MOS管种类和结构
   MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。
   至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。
  
   对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。
   MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。
   在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。
2，MOS管导通特性
   导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。
   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。
3，MOS开关管损失
   不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。
   MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越快，损失也越大。
   导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。
4，MOS管驱动
   跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。
   在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
   第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。
   上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压，设计时当然需要有一定的余量。而且电压越高，导通速度越快，导通电阻也越小。现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里，但在12V汽车电子系统里，一般4V导通就够用了。
   MOS管的驱动电路及其损失，可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs。讲述得很详细，所以不打算多写了。
5，MOS管应用电路
   MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。
现在的MOS驱动，有几个特别的需求，
1，低压应用
当使用5V电源，这时候如果使用传统的图腾柱结构，由于三极管的be有0.7V左右的压降，导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候，我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。
同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。
2，宽电压应用
输入电压并不是一个固定值，它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。
为了让MOS管在高gate电压下安全，很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下，当提供的驱动电压超过稳压管的电压，就会引起较大的静态功耗。
同时，如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压，就会出现输入电压比较高的时候，MOS管工作良好，而输入电压降低的时候gate电压不足，引起导通不够彻底，从而增加功耗。
3，双电压应用
在一些控制电路中，逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压，而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。
这就提出一个要求，需要使用一个电路，让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管，同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。
在这三种情况下，图腾柱结构无法满足输出要求，而很多现成的MOS驱动IC，似乎也没有包含gate电压限制的结构。
于是我设计了一个相对通用的电路来满足这三种需求。
电路图如下：

http://hi.baidu.com/quandishi/blog/item/62791810c5ea2ff4c2ce7997.html
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假定图2.1.1所示S是一个理想开关，则其特性应如下：
一、 静态特性
（一） 断开时，无论Uak在多大范围内变化，其等效电阻Roff=无穷，通过其中的电流Ioff=0。
（二） 闭合时，无论流过其中的电流在多大范围内变化，其等效电阻Ron=0，电压Uak=0。
二、 动态特性
（一） 开通时间Ton=0，即开关S由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。
（二） 关断时间Toff=0，即开关由闭合状态转换到断开状态哦也不需要时间，亦可以瞬间完成。
客观世界中，当然没有这种理想开关存在。日常生活中使用的乒乓开关、继电器、接触
器等，在一定电压和电流范围内，其静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，根本不可能满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。虽然，半导体二极管、三极管和MOS管作为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但其动态特性却是机械开关无法比拟的。

http://hi.baidu.com/ccjdwxw/blog/item/d239c90f5706ade036d1229e.html
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引言
    随着移动通信技术的发展，射频(RF)电路的研究引起了广泛的重视。采用标准CMOS工艺实现压控振荡器(VCO)，是实现RF CMOS集成收发机的关键。过去的VCO电路大多采用反向偏压的变容二极管作为压控器件，然而在用实际工艺实现电路时，会发现变容二极管的品质因数通常都很小，这将影响到电路的性能。于是，人们便尝试采用其它可以用CMOS工艺实现的器件来代替一般的变容二极管，MOS变容管便应运而生了。
MOS变容管
    将MOS晶体管的漏，源和衬底短接便可成为一个简单的MOS电容，其电容值随栅极与衬底之间的电压VBG变化而变化。在PMOS电容中，反型载流子沟道在VBG大于阈值电压绝对值时建立，当VBG远远大于阈值电压绝对值时，PMOS电容工作在强反型区域。另一方面，在栅电压VG大于衬底电压VB时，PMOS电容工作在积累区，此时栅氧化层与半导体之间的界面电压为正且能使电子可以自由移动。这样，在反型区和积累区的PMOS电容值Cmos等于Cox（氧化层电容）。
    在强反型区和积累区之间还有三个工作区域：中反型区，弱反型区和耗尽区。这些工作区域中只有很少的移动载流子，使得Cmos电容值减小（比Cox小），此时的Cmos可以看成Cox和Cb与Ci的并联电容串联构成。Cb表示耗尽区域电容的闭环，而Ci与栅氧化层界面的空穴数量变化量相关。如果Cb（Ci）占主导地位，PMOS器件工作在耗尽（中反型）区；如果两个电容都不占主导地位，PMOS器件工作在弱反型区。Cmos电容值随VBG变化的曲线如图1所示。

http://hi.baidu.com/frgah_1128/blog/item/b9ff992cf03891e48b139979.html
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http://netcourse.cugnc.com:7310/NCourse/analog/Ch04/0400000/0400000XX_01.htm

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谢谢！

学习了。3Q！