PART– 0基礎(chǔ)知識(shí)

在講MOS管之前，我們來(lái)回憶一下半導(dǎo)體材料。如下圖：

做筆記：

N型半導(dǎo)體雜質(zhì)為P原子，多子為電子

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)為B原子，多子為空穴

由于雜質(zhì)半導(dǎo)體中有可自由移動(dòng)的多子，當(dāng)N型半導(dǎo)體跟P型半導(dǎo)體相接觸，多子發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，自由電子與自由空穴復(fù)合形成空間電荷區(qū)，也就是我們常說(shuō)的耗盡層。

再做個(gè)筆記：耗盡層中沒(méi)有自由移動(dòng)的導(dǎo)電粒子。

PN結(jié)的結(jié)電容的充電過(guò)程，實(shí)際上可以近似地看做對(duì)耗盡層復(fù)合的自由帶電粒子進(jìn)行補(bǔ)充。

外加電壓：

當(dāng)PN結(jié)外接正偏電壓高于PN結(jié)兩端勢(shì)壘區(qū)的電壓時(shí)，耗盡層導(dǎo)電粒子補(bǔ)充完畢，可以跟正常雜質(zhì)半導(dǎo)體一樣具備導(dǎo)電能力，電路導(dǎo)通。

相反的，如果PN結(jié)外接反偏電壓，耗盡層擴(kuò)大，電路截止。

PART-1 MOS管結(jié)構(gòu)

下文開(kāi)始介紹MOS管，以增強(qiáng)型N-MOSFET為例子進(jìn)行講解。

增強(qiáng)型N-MOSFET，全稱(chēng)：N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，在講解其結(jié)構(gòu)前，請(qǐng)讀者記住幾個(gè)關(guān)鍵詞：

①N溝道

②絕緣柵

③ 增強(qiáng)型

④ 體二極管

如模電書(shū)（童詩(shī)白，第四版）中我們熟悉的結(jié)構(gòu)示意圖所示，N溝道增強(qiáng)型MOSFET的結(jié)構(gòu)可視為：

在P型半導(dǎo)體襯底上，制作兩個(gè)N型半導(dǎo)體區(qū)域并引兩個(gè)金屬電極，作為源極S與漏極D；并在P襯底上制作一層SiO2絕緣層，另外引一個(gè)金屬電極作為柵極G。

其結(jié)構(gòu)特征可解釋為以下幾點(diǎn)：

①由于N型半導(dǎo)體直接加在P型半導(dǎo)體襯底上，兩個(gè)N區(qū)與P區(qū)之間會(huì)形成耗盡層。

②由于柵極G是加在SiO2絕緣層上，與P型半導(dǎo)體襯底間并不導(dǎo)電，只有電場(chǎng)作用

③柵極G外加電場(chǎng)后，吸引P型半導(dǎo)體中的自由電子，同時(shí)填充耗盡層，形成反型層導(dǎo)電溝道，連接兩個(gè)N型半導(dǎo)體區(qū)域，使得增強(qiáng)型N-MOSFET導(dǎo)通。

④工藝上制作N-MOSFET時(shí)，將源極S與P型半導(dǎo)體襯底直接連接，源極S等同于P型半導(dǎo)體襯底，與漏極D的N型半導(dǎo)體區(qū)之間有一個(gè)PN結(jié)，該P(yáng)N結(jié)即為N-MOSFET的體二極管。

⑤如上圖所示，增強(qiáng)型N-MOSFET各電極之間各有一個(gè)寄生電容，其中源極S與漏極D之間的電容Cds為其輸出電容，結(jié)構(gòu)上為體二極管位置PN結(jié)的結(jié)電容；柵極G與S極、D極之間的寄生電容Cgd、Cgs之和為輸入電容，實(shí)質(zhì)上為形成反型層而吸引的電子（至于為何分為兩個(gè)電容，下文講解MOS管開(kāi)關(guān)過(guò)程的時(shí)候繼續(xù)解釋?zhuān)?/p>

PART-2 MOS管導(dǎo)通過(guò)程

MOS管的導(dǎo)通過(guò)程，其實(shí)就是形成反型層導(dǎo)電溝道的過(guò)程。

重新看回這張圖，當(dāng)柵極G與源極S之間加一個(gè)正偏電壓Vgs時(shí)，增強(qiáng)型N-MOSFET的P型半導(dǎo)體襯底中的電子受電場(chǎng)作用，會(huì)被吸引到柵極附近，同時(shí)連接兩個(gè)N型半導(dǎo)體區(qū)域，形成反型層導(dǎo)電溝道。

！敲黑板！劃重點(diǎn)！

導(dǎo)電溝道剛剛形成的時(shí)候那個(gè)正偏電壓Vgs，稱(chēng)為開(kāi)啟電壓Vgs（th）（或稱(chēng)為“閾值電壓”）；Vgs大于Vgs（th）的這一段電壓區(qū)間，稱(chēng)為可變電阻區(qū)，MOS管漏極D到源極S的導(dǎo)通阻抗隨Vgs增大而降低；當(dāng)Vgs大于2×Vgs（th）之后，基本視為導(dǎo)通阻抗Rds-on降為最低，s且在溫度一致時(shí)保持不變，此時(shí)增強(qiáng)型N-MOSFET視為完全導(dǎo)通。如下圖

故設(shè)置開(kāi)關(guān)MOS管驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，一般設(shè)置為遠(yuǎn)大于2×Vgs（th）。

模電書(shū)中給了這么一組圖，闡述了當(dāng)Vgs大于開(kāi)啟電壓時(shí)，Vds的增大對(duì)于流過(guò)MOS管的電流iD的影響。

實(shí)際上將圖序反過(guò)來(lái)，可以近似地模擬MOS管開(kāi)啟過(guò)程反型層的行程過(guò)程：

MOS管導(dǎo)電過(guò)程可近似理解為：

①由于電場(chǎng)作用，先形成靠近源極S區(qū)域的反型層，使得MOS管漏極D到源極S之間可以導(dǎo)通并流過(guò)電流iD。

②iD開(kāi)始流過(guò)的同時(shí)，反型層逐漸向漏極D擴(kuò)大，并最終使得靠近漏極D的反型層與靠近源極S的反型層寬度基本一致。

③反型層繼續(xù)擴(kuò)大，Rds-on一直降至完全導(dǎo)通，保持不變。

給Cgd充電的過(guò)程，Vgs保持不變，此時(shí)Rds-on較大，當(dāng)流過(guò)電流iD一定時(shí)，MOS管損耗較大。

當(dāng)柵極G外接電壓，MOS管導(dǎo)通過(guò)程，Vgs保持不變的區(qū)間稱(chēng)為米勒區(qū)間，由于反型層的形成過(guò)程而影響的Vgs、Rds-on及MOS管損耗變化過(guò)程的現(xiàn)象稱(chēng)為米勒效應(yīng)。下面結(jié)合波形詳細(xì)介紹一下米勒效應(yīng)。

這是在論壇中一個(gè)博客截的一個(gè)圖，已經(jīng)很形象地體現(xiàn)了外加柵極驅(qū)動(dòng)性號(hào)時(shí)，MOS管相關(guān)電流電壓的變化情況。

（見(jiàn)底部原文鏈接）

t0-t1：由于柵極電壓未到達(dá)開(kāi)啟電壓，MOS管未導(dǎo)通，如下圖

t1-t2：Vgs到達(dá)了開(kāi)啟電壓，MOS管開(kāi)始導(dǎo)通，反型層不斷拓寬，柵極電壓繼續(xù)升高，如下圖：

t2-t3：MOS管位于可變電阻區(qū)，保持持續(xù)導(dǎo)通，反型層往漏極側(cè)拓寬（大致如下圖紅框中區(qū)域），柵極電壓不變，進(jìn)入米勒平臺(tái)：

t3-t4：反型層基本拓寬到寬度一致的情況，柵極繼續(xù)施加驅(qū)動(dòng)電壓，整個(gè)反型層一齊拓寬，直至柵極電壓Vgs與驅(qū)動(dòng)信號(hào)源一致，導(dǎo)通阻抗Rds-on：

用MOS管模型看的話，大致如下側(cè)四圖，也就解釋了為什么反型層的輸入電容Ciss要被劃分為兩個(gè)電容Cgs跟Cgd，是因?yàn)槎叩某潆婍樞虿灰粯樱?/p>

PART-3MOS管參數(shù)

相信各位讀者對(duì)MOS管的參數(shù)已經(jīng)耳熟能詳了，這里就不再詳細(xì)說(shuō)明了，參照上文博客中給出的介紹，這里僅對(duì)其中部分參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明：

1）、功率MOSFET的絕對(duì)最大額定值：

注①：漏源最大電壓VDSS，可視為反向施加在體二極管兩端的電壓值，故只有一個(gè)方向。

注②：柵源最大電壓VGSS，即施加在柵極電極與源極電極之間的電壓，由于柵極與P型半導(dǎo)體襯底中加了SiO2絕緣層，只要電壓絕對(duì)值超過(guò)絕緣層耐壓均會(huì)擊穿，故有兩個(gè)方向“±”。

注③：漏級(jí)最大電流ID與體二極管流過(guò)的反向漏級(jí)最大電流IDR（或稱(chēng)為IS）一般規(guī)格書(shū)中數(shù)值一致，均為流過(guò)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體襯底形成的PN結(jié)的最大電流。

注④：ID（pulse）需要看施加電流的脈沖寬度，脈寬不一致的不能沿用規(guī)格書(shū)數(shù)據(jù)。

注⑤：雪崩電流IAP同樣需要關(guān)注脈沖寬度。

2）、靜態(tài)電特性

注①：Vgs（off）其實(shí)就是開(kāi)啟電壓Vgs（th），只不過(guò)這里看的角度不一樣。

注②：看完前文的讀者應(yīng)該知道為什么這里兩個(gè)Rds（on）大小有差異，不知道的回去前面重新看。

3）、動(dòng)態(tài)點(diǎn)特性

注①：Ciss = Cgs + Cgd；Coss = Cds；Crss = Cgd

注②：MOS管開(kāi)啟速度最主要關(guān)注的參數(shù)是Qg，也就是形成反型層需要的總電荷量！

注③：接通/斷開(kāi)延遲時(shí)間t d(on/off)、上升/下降時(shí)間tr / tf，各位工程時(shí)使用的時(shí)候請(qǐng)根據(jù)實(shí)際漏級(jí)電路ID，柵極驅(qū)動(dòng)電壓Vg進(jìn)行判斷。

MOS的介紹基本如上，時(shí)間及篇幅關(guān)系文中不涉及具體電路講解。圖源及主要參考書(shū)籍為《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),(童詩(shī)白.第4版)》，《電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.(康華光.第5版)》，各位工程師工作時(shí)多看會(huì)大學(xué)課本有時(shí)會(huì)有不同的收獲。