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什麽叫mos管-MOS管结构原理图详解(工作原理、结构、检测方法等)-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-05-14 

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什麽叫mos管

mos管概述

mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導體(semiconductor)場效應晶體管,或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導體。MOS管的source和drain是可以對調的,他們都是在P型backgate中形成的N型區。在多數情況下,這個兩個區是一樣的,即使兩端對調也不會影響器件的性能。這樣的器件被認爲是對稱的。


場效應管(FET),把输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET的增益等于它的跨导, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。市面上常有的一般为N沟道和P沟道,详情参考右侧图片(P沟道耗尽型MOS管)。而P沟道常见的为低压mos管。


場效應管通过投影一个电场在一个绝缘层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,所以FET管的GATE电流非常小。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,金属氧化物半导体場效應管(MOSFET)。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。


什麽叫mos管-mos管结构


什麽叫mos管

mos管結構示意圖


解釋1:溝道

上面圖中,下邊的p型中間一個窄長條就是溝道,使得左右兩塊P型極連在一起,因此mos管導通後是電阻特性,因此它的一個重要參數就是導通電阻,選用mos管必須清楚這個參數是否符合需求。


解釋2:n型

上圖表示的是p型mos管,讀者可以依據此圖理解n型的,都是反過來即可。因此,不難理解,n型的如圖在柵極加正壓會導致導通,而p型的相反。


解釋3:增強型

相對于耗盡型,增強型是通過“加厚”導電溝道的厚度來導通,如圖。柵極電壓越低,則p型源、漏極的正離子就越靠近中間,n襯底的負離子就越遠離柵極,柵極電壓達到一個值,叫閥值或坎壓時,由p型遊離出來的正離子連在一起,形成通道,就是圖示效果。因此,容易理解,柵極電壓必須低到一定程度才能導通,電壓越低,通道越厚,導通電阻越小。由于電場的強度與距離平方成正比,因此,電場強到一定程度之後,電壓下降引起的溝道加厚就不明顯了,也是因爲n型負離子的“退讓”是越來越難的。耗盡型的是事先做出一個導通層,用柵極來加厚或者減薄來控制源漏的導通。但這種管子一般不生産,在市面基本見不到。所以,大家平時說mos管,就默認是增強型的。


解釋4:左右對稱

圖示左右是對稱的,難免會有人問怎麽區分源極和漏極呢?其實原理上,源極和漏極確實是對稱的,是不區分的。但在實際應用中,廠家一般在源極和漏極之間連接一個二極管,起保護作用,正是這個二極管決定了源極和漏極,這樣,封裝也就固定了,便于實用。我的老師年輕時用過不帶二極管的mos管。非常容易被靜電擊穿,平時要放在鐵質罐子裏,它的源極和漏極就是隨便接。


解釋5:金屬氧化物膜

圖中有指示,這個膜是絕緣的,用來電氣隔離,使得柵極只能形成電場,不能通過直流電,因此是用電壓控制的。在直流電氣上,柵極和源漏極是斷路。不難理解,這個膜越薄:電場作用越好、坎壓越小、相同柵極電壓時導通能力越強。壞處是:越容易擊穿、工藝制作難度越大而價格越貴。例如導通電阻在歐姆級的,1角人民幣左右買一個,而2402等在十毫歐級的,要2元多(批量買。零售是4元左右)。


解釋6:與實物的區別

上圖僅僅是原理性的,實際的元件增加了源-漏之間跨接的保護二極管,從而區分了源極和漏極。實際的元件,p型的,襯底是接正電源的,使得柵極預先成爲相對負電壓,因此p型的管子,柵極不用加負電壓了,接地就能保證導通。相當于預先形成了不能導通的溝道,嚴格講應該是耗盡型了。好處是明顯的,應用時抛開了負電壓。


解釋7:寄生電容

上圖的柵極通過金屬氧化物與襯底形成一個電容,越是高品質的mos,膜越薄,寄生電容越大,經常mos管的寄生電容達到nF級。這個參數是mos管選擇時至關重要的參數之一,必須考慮清楚。Mos管用于控制大電流通斷,經常被要求數十K乃至數M的開關頻率,在這種用途中,柵極信號具有交流特征,頻率越高,交流成分越大,寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流,形成柵極電流。消耗的電能、産生的熱量不可忽視,甚至成爲主要問題。爲了追求高速,需要強大的柵極驅動,也是這個道理。試想,弱驅動信號瞬間變爲高電平,但是爲了“灌滿”寄生電容需要時間,就會産生上升沿變緩,對開關頻率形成重大威脅直至不能工作。


解釋8:如何工作在放大區

Mos管也能工作在放大區,而且很常見。做鏡像電流源、運放、反饋控制等,都是利用mos管工作在放大區,由于mos管的特性,當溝道處于似通非通時,柵極電壓直接影響溝道的導電能力,呈現一定的線性關系。由于柵極與源漏隔離,因此其輸入阻抗可視爲無窮大,當然,隨頻率增加阻抗就越來越小,一定頻率時,就變得不可忽視。這個高阻抗特點被廣泛用于運放,運放分析的虛連、虛斷兩個重要原則就是基于這個特點。這是三極管不可比擬的。


解釋9:發熱原因

Mos管發熱,主要原因之一是寄生電容在頻繁開啓關閉時,顯現交流特性而具有阻抗,形成電流。有電流就有發熱,並非電場型的就沒有電流。另一個原因是當柵極電壓爬升緩慢時,導通狀態要“路過”一個由關閉到導通的臨界點,這時,導通電阻很大,發熱比較厲害。第三個原因是導通後,溝道有電阻,過主電流,形成發熱。主要考慮的發熱是第1和第3點。許多mos管具有結溫過高保護,所謂結溫就是金屬氧化膜下面的溝道區域溫度,一般是150攝氏度。超過此溫度,mos管不可能導通。溫度下降就恢複。要注意這種保護狀態的後果。


mos管工作原理

增強型MOS管的漏極D和源極S之間有兩個背靠背的pn結。當柵-源電壓VGS=0時,即使加上漏-源電壓VDS,總有一個PN結處于反偏狀態,漏-源極間沒有導電溝道(沒有電流流過),所以這時漏極電流ID=0。


此时若在栅-源极间加上正向电压,即VGS>0,则栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个栅极指向P型硅衬底的电场,由于氧化物层是绝缘的,栅极所加电压VGS无法形成电流,氧化物层的两边就形成了一个电容,VGS等效是对这个电容充电,并形成一个电场,随着VGS逐渐升高,受栅极正电压的吸引,在这个电容的另一边就聚集大量的电子并形成了一个从漏极到源极的N型导电沟道,当VGS大于管子的开启电压VT(一般约为 2V)时,N沟道管开始导通,形成漏极电流ID,我们把开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压,一般用VT表示。


控制栅极电压VGS的大小改变了电场的强弱,就可以达到控制漏极电流ID的大小的目的,这也是MOS管用电场来控制电流的一个重要特点,所以也称之为場效應管。


MOS管的防靜電保護

MOS管是属于绝缘栅場效應管,栅极是无直流通路,输入阻抗极高,极易引起静电荷聚集,产生较高的电压将栅极和源极之间的绝缘层击穿。早期生产的MOS管大都没有防静电的措施,所以在保管及应用上要非常小心,特别是功率较小的MOS管,由于功率较小的MOS管输入电容比较小,接触到静电时产生的电压较高,容易引起静电击穿。


而近期的增強型大功率MOS管則有比較大的區別,首先由于功能較大輸入電容也比較大,這樣接觸到靜電就有一個充電的過程,産生的電壓較小,引起擊穿的可能較小,再者現在的大功率MOS管在內部的柵極和源極有一個保護的穩壓管DZ,如下圖所示,把靜電嵌位于保護穩壓二極管的穩壓值以下,有效的保護了柵極和源極的絕緣層,不同功率、不同型號的MOS管其保護穩壓二極管的穩壓值是不同的。雖然MOS管內部有了保護措施,我們操作時也應按照防靜電的操作規程進行,這是一個合格的維修員應該具備的。


什麽叫mos管


MOS管的檢測

檢測必須采用指針式萬用表(數字表是不適宜測量半導體器件的)。對于功率型MOSFET開關管都屬N溝道增強型,各生産廠的産品也幾乎都采用相同的TO-220F封裝形式(指用于開關電源中功率爲50—200W的場效應開關管),其三個電極排列也一致,即將三只引腳向下,打印型號面向自巳,左側引腳爲柵極,右測引腳爲源極,中間引腳爲漏極如圖5-1所示。


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1)萬用表及相關的准備:

首先在测量前应该会使用万用表,特别是欧姆档的应用,要了解欧姆挡才会正确应用欧姆挡来测量晶体三极管及MOS管(现在很多的从事修理人员,不会使用万用表,特别是万用表的欧姆挡,这绝不是危言耸听,问问他?他知道欧姆挡的R×1 R×10 R×100 R×1K R×10K,在表笔短路时,流过表笔的电流分别有多大吗?这个电流就是流过被测元件的电流。他知道欧姆挡在表笔开路时表笔两端的电压有多大吗?这就是在测量时被测元件在测量时所承受的电压)关于正确使用万用表欧姆挡的问题,可以参阅可以参阅“您会用万用表的欧姆挡测量二极管、三极管吗?”“可以参阅本博客“您会用万用表的欧姆挡测量二极管、三极管吗?”一文,因篇幅问题这里不再赘述。


用萬用表的歐姆擋的歐姆中心刻度不能太大,最好小于12Ω(500型表爲12Ω),這樣在R×1擋可以有較大的電流,對于PN結的正向特性判斷比較准確。萬用表R×10K擋


什麽叫mos管


現在由于生産工藝的進步,出廠的篩選、檢測都很嚴格,我們一般判斷只要判斷MOS管不漏電、不擊穿短路、內部不斷路、能放大就可以了,方法極爲簡單:

采用萬用表的R×10K擋;R×10K擋內部的電池一般是9V加1.5V達到10.5V這個電壓一般判斷PN結點反相漏電是夠了,萬用表的紅表筆是負電位(接內部電池的負極),萬用表的黑表筆是正電位(接內部電池的正極),圖5-2所示。


測試步驟

把紅表筆接到MOS管的源極S;把黑表筆接到MOS管的漏極D,此時表針指示應該爲無窮大,如圖5-3所示。如果有歐姆指數,說明被測管有漏電現象,此管不能用。


什麽叫mos管


保持上述狀態;此時用一只100K~200K電阻連接于柵極和漏極,如圖5-4所示;這時表針指示歐姆數應該越小越好,一般能指示到0歐姆,這時是正電荷通過100K電阻對MOS管的柵極充電,産生柵極電場,由于電場産生導致導電溝道致使漏極和源極導通,所以萬用表指針偏轉,偏轉的角度大(歐姆指數小)證明放電性能好。


什麽叫mos管


此時在圖5-4的狀態;再把連接的電阻移開,這時萬用表的指針仍然應該是MOS管導通的指數不變,如圖5-5所示。雖然電阻拿開,但是因爲電阻對柵極所充的電荷並沒有消失,柵極電場繼續維持,內部導電溝道仍然保持,這就是絕緣柵型MOS管的特點。如果電阻拿開表針會慢慢的逐步的退回到高阻甚至退回到無窮大,要考慮該被測管柵極漏電。


什麽叫mos管


這時用一根導線,連接被測管的柵極和源極,萬用表的指針立即返回到無窮大,如圖5-6所示。導線的連接使被測MOS管,柵極電荷釋放,內部電場消失;導電溝道也消失,所以漏極和源極之間電阻又變成無窮大。


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