深度聊聊MOS管

MOS管作为半导体领域最基础的器件之一，无论是在IC设计里，还是板级电路应用上，都十分广泛。目前尤其在大功率半导体领域，各种结构的MOS管更是发挥着不可替代的作用。作为一个基础器件，往往集简单与复杂与一身，简单在于它的结构，复杂在于基于应用的深入考量。因此，作为硬件开发者，想在电路设计上进阶，搞懂MOS管是必不可少的一步，今天来聊聊。

一、MOS管的半导体结构

那么，在半导体工艺里，如何制造MOS管的？

这就是一个NMOS的结构简图，一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样，在一定的地基（衬底）上依据设计一步步“盖”起来。

MOS管的符号描述为：

二、MOS管的工作机制

以增强型MOS管为例，我们先简单来看下MOS管的工作原理。

由上图结构我们可以看到MOS管类似三极管，也是背靠背的两个PN结！三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制CE之间的导通，MOS管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通DS之间。

如上图，在开启电压不足时，N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。给栅极提供正向电压后，P区的少子（电子）会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。这样DS之间就导通了。

下图是一个简单的MOS管开启模拟：

这是MOS管电流Id随Vgs变化曲线，开启电压为1.65V。下图是MOS管的IDS和VGS与VDS之间的特性曲线图，类似三极管。

下面我们先从器件结构的角度看一下MOS管的开启全过程。

1、Vgs对MOS管的开启作用

一定范围内VgsVth，VdsVgs-Vth，Vgs越大，反型层越宽，电流越大。这个区域为MOS管的线性区（可变电阻区）。即：

Vgs为常数时，Vds上升，Id近似线性上升，表现为一种电阻特性。

Vds为常数时，Vgs上升，Id近似线性上升，表现出一种压控电阻的特性。

即曲线左边

2、Vds对MOS管沟道的控制

当VgsVth，VdsVgs-Vth时，分析同上曲线左侧，电流Id随Vds上升而上升，为可变电阻区。

当VdsVgs-Vth后，我们可以看到因为DS之间的电场开始导致右侧的沟道变窄，电阻变大。所以电流Id增加开始变缓慢。当Vds增大一定程度后，右沟道被完全夹断了！

此时DS之间的电压都分布在靠近D端的夹断耗尽区，夹断区的增大即沟道宽度W减小导致的电阻增大抵消了Vds对Id的正向作用，因此导致电流Id几乎不再随Vds增加而变化。此时的D端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到S端！

这个区域为MOS管的恒流区，也叫饱和区，放大区。

但是因为有沟道调制效应导致沟道长度L有变化，所以曲线稍微上翘一点。

重点备注：MOS管与三极管的工作区定义差别

三极管的饱和区：输出电流Ic不随输入电流Ib变化。

MOS管的饱和区：输出电流Id不随输出电压Vds变化。

3、击穿

Vgs过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。

Vds过大会导致D和衬底之间的反向PN结雪崩击穿，大电流直接流入衬底。

三、MOS管的开关过程分析

如果要进一步了解MOS管的工作原理，剖析MOS管由截止到开启的全过程，必须建立一个完整的电路结构模型，引入寄生参数，如下图。

详细开启过程为：

t0~t1阶段：栅极电流对Cgs和Cgd充电，Vgs上升到开启电压Vgs(th)，此间，MOS没有开启，无电流通过，即MOS管的截止区。在这个阶段，显然Vd电压大于Vg，可以理解为电容Cgd上正下负。

t1~t2阶段：Vgs达到Vth后，MOS管开始逐渐开启至满载电流值Io，出现电流Ids，Ids与Vgs呈线性关系，这个阶段是MOS管的可变电阻区，或者叫线性区。

t3~t4阶段：渡过米勒平台后，即Cgd反向充电达到Vgs，Vgs继续升高至最终电压，这个电压值决定的是MOS管的开启阻抗Ron大小。

我们可以通过仿真看下具体过程：

b:ZVS零电压开关技术是可以消除米勒效应的，即在Vds为0时开启沟道，在大功率应用时较多。

c:栅极负电压驱动，增加设计成本。

d:有源米勒钳位。即在栅极增加三极管，关断时拉低栅极电压。

上面已经详细介绍了MOS管的工作机制，那么我们再来看datasheet这些参数就一目了然了。

极限值参数代表应用时的最高范围，功耗和散热是高功率应用时的重点。

体二极管：

在分立器件NMOS管中，S端一般衬底，所以导致DS之间有一个寄生二极管。

但是在集成电路内部，S端接低电位或者高电位，不一定接衬底，所以就不存在寄生二极管。

寄生二极管具有保护MOS管的作用，导出瞬间反向的大电流。

四、MOS管的驱动应用

MOS的驱动是应用设计的重点，接下来我们聊聊有哪些驱动方式和特点。

4.1直接驱动

驱动芯片直接输出PWM波

特点：驱动环路距离不能太远，否则因为寄生电感降低开关速度和导致振铃。另外，一般驱动器也难以提供很大的驱动电流。

4.2推挽式驱动

PWM驱动通过推挽结构来驱动栅极

特点：实现较小的驱动环路和更大的驱动电流，栅极电压被钳位在Vb+Vbe和GND与Vbe之间。

4.3栅极驱动加速电路

并联二极管可以分流，但是随着电压降低，二极管逐渐失去作用。

4.4PNP关断电路

特点：PNP在关断时形成短路放电，但是无法完全为0，二极管Don可以钳位防止三极管击穿。

五、小结

以上大概详细介绍了MOS管这一半导体基础元器件的工作原理和应用，具体到工作中还需要的是实际测试和实验，特别是不断在一些应用中，尤其是应用问题中加深理解。这样或许才能真正的把相关基础知识融入到自己的能力中，游刃有余的解决技术问题。搞技术嘛，和做人一样，从小处做，往高处看。

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