來源：EETOP 博客 作者：許歡

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MOS 管作為半導體領域最基礎的器件之一，無論是在 IC 設計里，還是板級電路應用上，都十分廣泛。目前尤其在大功率半導體領域，各種結構的 MOS 管更是發(fā)揮著不可替代的作用。作為一個基礎器件，往往集簡單與復雜與一身，簡單在于它的結構，復雜在于基于應用的深入考量。因此，作為硬件開發(fā)者，想在電路設計上進階，搞懂 MOS 管是必不可少的一步，今天來聊聊。

一、 MOS 管的半導體結構

作為半導體器件，它的來源還是最原始的材料，摻雜半導體形成的 P 和 N 型物質(zhì)。

那么，在半導體工藝里，如何制造 MOS 管的？

這就是一個 NMOS 的結構簡圖，一個看起來很簡單的三端元器件。具體的制造過程就像搭建積木一樣，在一定的地基（襯底）上依據(jù)設計一步步“蓋”起來。

MOS 管的符號描述為：

二、 MOS 管的工作機制

以增強型 MOS 管為例，我們先簡單來看下 MOS 管的工作原理。

由上圖結構我們可以看到 MOS 管類似三極管，也是背靠背的兩個PN結！三極管的原理是在偏置的情況下注入電流到很薄的基區(qū)通過電子-空穴復合來控制CE之間的導通，MOS 管則利用電場來在柵極形成載流子溝道來溝通DS之間。

如上圖，在開啟電壓不足時，N區(qū)和襯底P之間因為載流子的自然復合會形成一個中性的耗盡區(qū)。給柵極提供正向電壓后，P區(qū)的少子（電子）會在電場的作用下聚集到柵極氧化硅下，最后會形成一個以電子為多子的區(qū)域，叫反型層，稱為反型因為是在P型襯底區(qū)形成了一個N型溝道區(qū)。這樣DS之間就導通了。

下圖是一個簡單的MOS管開啟模擬：

這是MOS管電流Id隨Vgs變化曲線，開啟電壓為1.65V。下圖是MOS管的IDS和VGS與VDS 之間的特性曲線圖，類似三極管。

下面我們先從器件結構的角度看一下MOS管的開啟全過程。

1、Vgs 對MOS 管的開啟作用

一定范圍內(nèi) Vgs>Vth，Vds<Vgs-Vth，Vgs 越大，反型層越寬，電流越大。這個區(qū)域為 MOS 管的線性區(qū)（可變電阻區(qū)）。即：

Vgs 為常數(shù)時，Vds 上升，Id 近似線性上升，表現(xiàn)為一種電阻特性。

Vds 為常數(shù)時，Vgs 上升，Id 近似線性上升，表現(xiàn)出一種壓控電阻的特性。

即曲線左邊

2、Vds對MOS管溝道的控制

當 Vgs>Vth，Vds<Vgs-Vth 時，分析同上曲線左側，電流Id隨Vds上升而上升，為可變電阻區(qū)。

當 Vds>Vgs-Vth 后，我們可以看到因為DS之間的電場開始導致右側的溝道變窄，電阻變大。所以電流Id增加開始變緩慢。當Vds增大一定程度后，右溝道被完全夾斷了！

此時DS之間的電壓都分布在靠近D端的夾斷耗盡區(qū)，夾斷區(qū)的增大即溝道寬度W減小導致的電阻增大抵消了Vds對Id的正向作用，因此導致電流Id幾乎不再隨Vds增加而變化。此時的D端載流子是在強電場的作用下掃過耗盡區(qū)達到S端！

這個區(qū)域為 MOS 管的恒流區(qū)，也叫飽和區(qū)，放大區(qū)。

但是因為有溝道調(diào)制效應導致溝道長度 L 有變化，所以曲線稍微上翹一點。

重點備注：MOS 管與三極管的工作區(qū)定義差別

三極管的飽和區(qū)：輸出電流 Ic 不隨輸入電流 Ib 變化。

MOS 管的飽和區(qū)：輸出電流 Id 不隨輸出電壓 Vds 變化。

3、 擊穿

Vgs 過大會導致柵極很薄的氧化層被擊穿損壞。

Vds 過大會導致D和襯底之間的反向PN結雪崩擊穿，大電流直接流入襯底。

三、 MOS 管的開關過程分析

如果要進一步了解MOS管的工作原理，剖析MOS管由截止到開啟的全過程，必須建立一個完整的電路結構模型，引入寄生參數(shù)，如下圖。

詳細開啟過程為：

t0~t1 階段：柵極電流對Cgs和Cgd充電，Vgs上升到開啟電壓Vgs(th)，此間，MOS沒有開啟，無電流通過，即MOS管的截止區(qū)。在這個階段，顯然Vd電壓大于Vg，可以理解為電容 Cgd 上正下負。

t1~t2 階段：Vgs達到Vth后，MOS管開始逐漸開啟至滿載電流值Io，出現(xiàn)電流Ids，Ids與Vgs呈線性關系，這個階段是MOS管的可變電阻區(qū)，或者叫線性區(qū)。

t3~t4 階段：渡過米勒平臺后，即Cgd反向充電達到Vgs，Vgs繼續(xù)升高至最終電壓，這個電壓值決定的是MOS管的開啟阻抗Ron大小。

我們可以通過仿真看下具體過程：

b: ZVS 零電壓開關技術是可以消除米勒效應的，即在 Vds 為 0 時開啟溝道，在大功率應用時較多。

c: 柵極負電壓驅(qū)動，增加設計成本。

d: 有源米勒鉗位。即在柵極增加三極管，關斷時拉低柵極電壓。

上面已經(jīng)詳細介紹了 MOS 管的工作機制，那么我們再來看 datasheet 這些參數(shù)就一目了然了。

極限值參數(shù)代表應用時的最高范圍，功耗和散熱是高功率應用時的重點。

體二極管：

在分立器件NMOS管中，S端一般襯底，所以導致DS之間有一個寄生二極管。

但是在集成電路內(nèi)部，S端接低電位或者高電位，不一定接襯底，所以就不存在寄生二極管。

寄生二極管具有保護 MOS 管的作用，導出瞬間反向的大電流。

四、 MOS 管的驅(qū)動應用

MOS 的驅(qū)動是應用設計的重點，接下來我們聊聊有哪些驅(qū)動方式和特點。

4.1 直接驅(qū)動

驅(qū)動芯片直接輸出 PWM 波

特點：驅(qū)動環(huán)路距離不能太遠，否則因為寄生電感降低開關速度和導致振鈴。另外，一般驅(qū)動器也難以提供很大的驅(qū)動電流。

4.2 推挽式驅(qū)動

PWM 驅(qū)動通過推挽結構來驅(qū)動柵極

特點：實現(xiàn)較小的驅(qū)動環(huán)路和更大的驅(qū)動電流，柵極電壓被鉗位在 Vb+Vbe 和 GND 與Vbe 之間。

4.3 柵極驅(qū)動加速電路

并聯(lián)二極管可以分流，但是隨著電壓降低，二極管逐漸失去作用。

4.4 PNP關斷電路

特點：PNP 在關斷時形成短路放電，但是無法完全為 0，二極管 Don 可以鉗位防止三極管擊穿。

五、 小結

以上大概詳細介紹了MOS管這一半導體基礎元器件的工作原理和應用，具體到工作中還需要的是實際測試和實驗，特別是不斷在一些應用中，尤其是應用問題中加深理解。這樣或許才能真正的把相關基礎知識融入到自己的能力中，游刃有余的解決技術問題。搞技術嘛，和做人一樣，從小處做，往高處看。

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