MOS管(MOSFET)基础知识:结构,特性,驱动电路分析-KIA MOS管

MOS管(MOSFET)基础知识：结构,特性,驱动电路

下面是对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料。包括MOS管的介绍，特性，驱动。

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。 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管简介:MOS管(MOSFET)基础知识

在讲MOS管之前，我们来回忆一下半导体材料。如下图：

N型半导体杂质为P原子，多子为电子

P型半导体杂质为B原子，多子为空穴

由于杂质半导体中有可自由移动的多子，当N型半导体跟P型半导体相接触，多子发生扩散运动，自由电子与自由空穴复合形成空间电荷区，也就是我们常说的耗尽层。

再做个笔记：耗尽层中没有自由移动的导电粒子。

PN结的结电容的充电过程，实际上可以近似地看做对耗尽层复合的自由带电粒子进行补充。

外加电压：

当PN结外接正偏电压高于PN结两端势垒区的电压时，耗尽层导电粒子补充完毕，可以跟正常杂质半导体一样具备导电能力，电路导通。

相反的，如果PN结外接反偏电压，耗尽层扩大，电路截止。

下文开始介绍MOS管，以增强型N-MOSFET为例子进行讲解。

增强型N-MOSFET，全称：N沟道增强型绝缘栅场效应管，在讲解其结构前，请读者记住几个关键词：

① N沟道

② 绝缘栅

③ 增强型

④ 体二极管

N沟道增强型MOSFET的结构可视为：在P型半导体衬底上，制作两个N型半导体区域并引两个金属电极，作为源极S与漏极D；并在P衬底上制作一层SiO2绝缘层，另外引一个金属电极作为栅极G。

其结构特征可解释为以下几点：

①由于N型半导体直接加在P型半导体衬底上，两个N区与P区之间会形成耗尽层。

②由于栅极G是加在SiO2绝缘层上，与P型半导体衬底间并不导电，只有电场作用。

③栅极G外加电场后，吸引P型半导体中的自由电子，同时填充耗尽层，形成反型层导电沟道，连接两个N型半导体区域，使得增强型N-MOSFET导通。

④ 工艺上制作N-MOSFET时，将源极S与P型半导体衬底直接连接，源极S等同于P型半导体衬底，与漏极D的N型半导体区之间有一个PN结，该PN结即为N-MOSFET的体二极管。

⑤增强型N-MOSFET各电极之间各有一个寄生电容，其中源极S与漏极D之间的电容Cds为其输出电容，结构上为体二极管位置PN结的结电容；栅极G与S极、D极之间的寄生电容Cgd、Cgs之和为输入电容，实质上为形成反型层而吸引的电子。

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