最全面場效應(yīng)管開關(guān)電路詳解的文章,初學(xué)入門必讀
信息來源：本站 日期：2017-09-20
什么是MOS管MOS管的英文全稱叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)管，屬于場效應(yīng)管中的絕緣柵型。因此，MOS管有時被稱為絕緣柵場效應(yīng)管。在普通電子電路中，MOS管通常被用于放大電路或開關(guān)電路。
在一塊摻雜濃度較低的P型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴散工藝制造兩個高摻雜濃度的N+區(qū)，并用金屬鋁引出兩個電極，分別作為漏極D和源極S。然后在漏極和源極之間的P型半導(dǎo)體表面復(fù)蓋一層很薄的二氧化硅（Si02）絕緣層膜，在再這個絕緣層膜上裝上一個鋁電極，作為柵極G。這就構(gòu)成了一個N溝道（NPN型）增強型MOS管。顯然它的柵極和其它電極間是絕緣的。圖1-1所示 A 、B分別是它的結(jié)構(gòu)圖和代表符號。
同樣用上述相同的方法在一塊摻雜濃度較低的N型半導(dǎo)體硅襯底上，用半導(dǎo)體光刻、擴散工藝制造兩個高摻雜濃度的P+區(qū)，及上述相同的柵極制造過程，就制成為一個P溝道（PNP型）增強型MOS管。圖1-2所示A 、B分別是P溝道MOS管道結(jié)構(gòu)圖和代表符號。
從圖1-3-A可以看出，增強型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的PN結(jié)。當(dāng)柵-源電壓VGS=0時，即使加上漏-源電壓VDS，總有一個PN結(jié)處于反偏狀態(tài)，漏-源極間沒有導(dǎo)電溝道（沒有電流流過），所以這時漏極電流ID=0。此時若在柵-源極間加上正向電壓，圖1-3-B所示，即VGS＞0，則柵極和硅襯底之間的SiO2絕緣層中便產(chǎn)生一個柵極指向P型硅襯底的電場，由于氧化物層是絕緣的，柵極所加電壓VGS無法構(gòu)成電流，氧化物層的兩邊就構(gòu)成了一個電容，VGS等效是對這個電容充電，并構(gòu)成一個電場，隨著VGS逐漸升高，受柵極正電壓的吸收，在這個電容的另一邊就聚集大量的電子并構(gòu)成了一個從漏極到源極的N型導(dǎo)電溝道，當(dāng)VGS大于管子的開啟電壓VT（普通約為 2V）時，N溝道管開端導(dǎo)通，構(gòu)成漏極電流ID，我們把開端構(gòu)成溝道時的柵-源極電壓稱為開啟電壓，普通用VT表示。控制柵極電壓VGS的大小改動了電場的強弱，就可以抵達(dá)控制漏極電流ID的大小的目的，這也是MOS管用電場來控制電流的一個重要特性，所以也稱之為場效應(yīng)管。
上述MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于Sio2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場從而招致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時的柵極電壓VGS決議了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。這就可以得出如下結(jié)論：1） MOS管是一個由改動電壓來控制電流的器件，所以是電壓器件。2） MOS管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。
圖1-4-A 是N溝道MOS管的符號，圖中D是漏極，S是源極，G是柵極，中間的箭頭表示襯底，如果箭頭向里表示是N溝道的MOS管，箭頭向外表示是P溝道的MOS管。
在實際MOS管生產(chǎn)的過程中襯底在出廠前就和源極連接，所以在符號的規(guī)則中；表示襯底的箭頭也必須和源極相連接，以區(qū)別漏極和源極。圖1-5-A是P溝道MOS管的符號。
MOS管應(yīng)用電壓的極性和我們普通的晶體三極管相同，N溝道的類似NPN晶體三極管，漏極D接正極，源極S接負(fù)極，柵極G正電壓時導(dǎo)電溝道建立，N溝道MOS管開始工作,如圖1-4-B所示。同樣P道的類似PNP晶體三極管，漏極D接負(fù)極，源極S接正極，柵極G負(fù)電壓時，導(dǎo)電溝道建立，P溝道MOS管開始工作,如圖1-5-B所示。
1）、大功率MOS管和大功率晶體三極管相比MOS管的優(yōu)點；1)、輸入阻抗高，驅(qū)動功率小：由于柵源之間是二氧化硅（SiO2）絕緣層，柵源之間的直流電阻基本上就是SiO2絕緣電阻，普通達(dá)100MΩ左右，交流輸入阻抗基本上就是輸入電容的容抗。由于輸入阻抗高，對鼓舞信號不會產(chǎn)生壓降，有電壓就可以驅(qū)動，所以驅(qū)動功率極小（靈敏度高）。普通的晶體三極管必需有基極電壓Vb，再產(chǎn)生基極電流Ib，才干驅(qū)動集電極電流的產(chǎn)生。晶體三極管的驅(qū)動是需求功率的（Vb×Ib）。
2）、開關(guān)速度快:MOSFET的開關(guān)速度和輸入的容性特性的有很大關(guān)系，由于輸入容性特性的存在，使開關(guān)的速度變慢，但是在作為開關(guān)運用時，可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻，加快開關(guān)速度（輸入采用了后述的“灌流電路”驅(qū)動，加快了容性的充放電的時間）。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常疾速，開關(guān)時間在10—100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，普通的晶體三極管由于少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)，使開關(guān)總有滯后現(xiàn)象，影響開關(guān)速度的進(jìn)步（目前采用MOS管的開關(guān)電源其工作頻率可以隨意的做到100K/S～150K/S,這關(guān)于普通的大功率晶體三極管來說是難以想象的）。
3）、無二次擊穿；由于普通的功率晶體三極管具有當(dāng)溫度上升就會招致集電極電流上升（正的溫度～電流特性）的現(xiàn)象，而集電極電流的上升又會招致溫度進(jìn)一步的上升，溫度進(jìn)一步的上升，更進(jìn)一步的招致集電極電流的上升這一惡性循環(huán)。而晶體三極管的耐壓VCEO隨管溫度升高是逐步降落，這就構(gòu)成了管溫繼續(xù)上升、耐壓繼續(xù)降落最終招致晶體三極管的擊穿，這是一種招致電視機開關(guān)電源管和行輸出管損壞率占95%的破環(huán)性的熱電擊穿現(xiàn)象，也稱為二次擊穿現(xiàn)象。MOS管具有和普通晶體三極管相反的溫度～電流特性，即當(dāng)管溫度（或環(huán)境溫度）上升時，溝道電流IDS反而降落。例如；一只IDS=10A的MOS FET開關(guān)管，當(dāng)VGS控制電壓不變時，在250C溫度下IDS=3A，當(dāng)芯片溫度升高為1000C時，IDS降低到2A，這種因溫度上升而招致溝道電流IDS降落的負(fù)溫度電流特性，使之不會產(chǎn)生惡性循環(huán)而熱擊穿。也就是MOS管沒有二次擊穿現(xiàn)象，可見采用MOS管作為開關(guān)管，其開關(guān)管的損壞率大幅度的降低，近兩年電視機開關(guān)電源采用MOS管替代過去的普通晶體三極管后，開關(guān)管損壞率大大降低也是一個極好的證明。
4）、MOS管導(dǎo)通后其導(dǎo)通特性呈純阻性；普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通是，幾乎是直通，有一個極低的壓降，稱為飽和壓降，既然有一個壓降，那么也就是；普通晶體三極管在飽和導(dǎo)通后等效是一個阻值極小的電阻，但是這個等效的電阻是一個非線性的電阻（電阻上的電壓和流過的電流不能契合歐姆定律），而MOS管作為開關(guān)管應(yīng)用，在飽和導(dǎo)通后也存在一個阻值極小的電阻，但是這個電阻等效一個線性電阻，其電阻的阻值和兩端的電壓降和流過的電流契合歐姆定律的關(guān)系，電流大壓降就大，電流小壓降就小，導(dǎo)通后既然等效是一個線性元件，線性元件就可以并聯(lián)應(yīng)用，當(dāng)這樣兩個電阻并聯(lián)在一同，就有一個自動電流平衡的作用，所以MOS管在一個管子功率不夠的時分，可以多管并聯(lián)應(yīng)用，且不用另外增加平衡措施（非線性器件是不能直接并聯(lián)應(yīng)用的）。
二：灌流電路
在圖2-2中；在作為開關(guān)應(yīng)用的MOS管Q3的柵極S和鼓舞信號之間增加Q1、Q2兩只開關(guān)管，此兩雖然均為普通的晶體三極管，兩雖然接成串聯(lián)銜接，Q1為NPN型Q2為PNP型，基極銜接在一同（理論上是一個PNP、NPN互補的射極跟隨器），兩雖然等效是兩只在方波鼓舞信號控制下輪番導(dǎo)通的開關(guān)，如圖2-2-A、圖2-2-B當(dāng)鼓舞方波信號的正半周來到時；晶體三極管Q1（NPN）導(dǎo)通、Q2（PNP）截止，VCC經(jīng)過Q1導(dǎo)通對MOS開關(guān)管Q3的柵極充電，由于Q1是飽和導(dǎo)通，VCC等效是直接加到MOS管Q3的柵極，瞬間充電電流極大，充電時間極短，保證了MOS開關(guān)管Q3的疾速的“開”，如圖2-2-A所示（圖2-2-A和圖2-2-B中的電容C為MOS管柵極S的等效電容）。當(dāng)鼓舞方波信號的負(fù)半周來到時；晶體三極管Q1（NPN）截止、Q2（PNP）導(dǎo)通，MOS開關(guān)管Q3的柵極所充的電荷，經(jīng)過Q2疾速放電，由于Q2是飽和導(dǎo)通，放電時間極短，保證了MOS開關(guān)管Q3的疾速的“關(guān)”，如圖2-2-B所示。
由于MOS管在制造工藝上柵極S的引線的電流容量有一定的限度，所以在Q1在飽和導(dǎo)通時VCC對MOS管柵極S的瞬時充電電流龐大，極易損壞MOS管的輸入端，為了維護(hù)MOS管的安全，在細(xì)致的電路中必需采取措施限制瞬時充電的電流值，在柵極充電的電路中串接一個恰當(dāng)?shù)某潆娤蘖麟娮鑂，如圖2-3-A所示。充電限流電阻R的阻值的選取；要根據(jù)MOS管的輸入電容的大小，鼓舞脈沖的頻率及灌流電路的VCC（VCC普通為12V）的大小決議普通在數(shù)十姆歐到一百歐姆之間。
由于充電限流電阻的增加，使在鼓舞方波負(fù)半周時Q2導(dǎo)通時放電的速度遭到限制（充電時是VCC產(chǎn)生電流，放電時是柵極所充的電壓VGS產(chǎn)生電流，VGS遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VCC,R的存在大大的降低了放電的速率）使MOS管的開關(guān)特性變壞，為了使R阻值在放電時不影響疾速放電的速率，在充電限流電阻R上并聯(lián)一個構(gòu)成放電通路的二極管D，圖2-3-B所示。此二極管在放電時導(dǎo)通，在充電時反偏截止。這樣增加了充電限流電阻和放電二極管后，既保證了MOS管的安全，又保證了MOS管，“開”與“關(guān)”的疾速動作。
2、另一種灌流電路灌流電路的另外一種方式，關(guān)于某些功率較小的開關(guān)電源上采用的MOS管常常采用了圖2-4-A的電路方式。
D為充電二極管，Q為放電三極管（PNP）。工作過程是這樣，當(dāng)鼓舞方波正半周時，D導(dǎo)通，對MOS管輸入端等效電容充電(此時Q截止)，在當(dāng)鼓舞方波負(fù)半周時，D截止，Q導(dǎo)通，MOS管柵極S所充電荷，經(jīng)過Q放電，MOS管完成“開”與“關(guān)”的動作，如圖2-4-B所示。此電路由鼓舞信號直接“灌流”，鼓舞信號源懇求內(nèi)阻較低。該電路普通應(yīng)用在功率較小的開關(guān)電源上。
MOS管在開關(guān)狀態(tài)工作時；Q1、Q2是輪番導(dǎo)通，MOS管柵極是在反復(fù)充電、放電的狀態(tài)，假設(shè)在此時關(guān)閉電源，MOS管的柵極就有兩種狀態(tài)；一個狀態(tài)是；放電狀態(tài)，柵極等效電容沒有電荷存儲，一個狀態(tài)是；充電狀態(tài)，柵極等效電容正好處于電荷充溢狀態(tài)，圖2-5-A所示。固然電源切斷，此時Q1、Q2也都處于斷開狀態(tài)，電荷沒有釋放的回路，MOS管柵極的電場仍然存在（能堅持很長時間），樹立導(dǎo)電溝道的條件并沒有消逝。這樣在再次開機瞬間，由于鼓舞信號還沒有樹立，而開機瞬間MOS管的漏極電源(VDS)隨機提供,在導(dǎo)電溝道的作用下，MOS管即刻產(chǎn)生不受控的龐大漏極電流ID，惹起MOS管燒壞。為了避免此現(xiàn)象產(chǎn)生，在MOS管的柵極對源極并接一只泄放電阻R1，如圖2-5-B所示，關(guān)機后柵極存儲的電荷經(jīng)過R1疾速釋放，此電阻的阻值不可太大，以保證電荷的疾速釋放，普通在5K～數(shù)10K左右。
灌流電路主要是針對MOS管在作為開關(guān)管運用時其容性的輸入特性，惹起“開”、“關(guān)”動作滯后而設(shè)置的電路，當(dāng)MOS管作為其他用途；例如線性放大等應(yīng)用，就沒有必要設(shè)置灌流電路。
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