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MOS管，即金属氧化物半导体场效应晶体管，是一种利用场效应原理工作的半导体器件，与普通双极型晶体管相比，MOS管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大、功耗低等特点。由于其功耗小、易于集成等优点，在开关电源、镇流器、高频感应加热、高频逆变焊机、通信电源等高频电源领域日益普及补给品。应用。

MOS管的类型和结构MOS管是FET的一种（另一种是JFET结型场效应管），其结构主要有两种：N沟道型和P沟道型，其结构上也有区别。场效应原理。据马苏介绍。目前有两种类型。因此可以制造四种类型的MOS管：P沟道增强型、P沟道凹陷型、N沟道增强型、N沟道凹陷型。

表1 四种MOS管类型每个MOS管具有三个电极：栅极（记为“G”）、源极（记为“S”）和漏极（记为“D”）。接线时，N沟道电源输入为D，输出为S，P沟道电源输入为S，输出为D，增强型和耗尽型的连接方法基本相同。

图2 MOS管内部结构图从结构图来看，N沟道场效应管的源极和漏极连接N型半导体，而P沟道场效应管的源极和漏极连接到N型半导体。你可以看到效应晶体管连接到P 型半导体顶部的N 型半导体。场效应管的输出电流受输入电压（或场电压）控制，但输入电流很小或无电流输入，因此输入阻抗较高。为什么叫场效应管？

MOS管工作原理

1N沟道增强型场效应晶体管原理

N沟道增强型MOS晶体管在P型半导体上产生一层薄薄的SiO2绝缘层，利用光刻法扩散两个重掺杂的N型区域，并将电极（漏极D、源极S）与N型半导体分开。出去。类型区域。 ）；在源极和漏极之间的SiO2绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G；P型半导体称为衬底，用符号B表示。 NMOS也称为绝缘栅场效应晶体管，因为栅极和其他电极是绝缘的。

当栅极G和源极S之间没有施加电压时，即VGS=0时，漏极和源极的两个N+型区域之间有一个P型衬底，因此相当于两个PN。结之间的电阻很高，为1012，并且D和S之间没有导电沟道，因此无论漏极和源极之间施加什么极性的电压，都没有漏极电流ID流动。生成的。

表3 N沟道增强型MOS管结构图当衬底B和源极S短路时，即VGS>0时，栅极G和源极S之间施加正电压，如图所示。在图3(a)中，在栅极和衬底之间产生从栅极朝向衬底的电场。由于该电场的作用，靠近P衬底表面的空穴被排斥并向下移动，电子被电场吸引而向衬底表面移动，与衬底表面的空穴复合，形成耗尽层。当VGS电压进一步升高，直至VGS达到一定的电压VT时，P衬底表层的空穴全部被排斥并排出，大量的自由电子被吸引到表层，从定量状态转变为。如图3(b)所示，存在多个自由电子的N型层被称为“反型层”。反型层连接两个N+型区域漏极D和源极S，在漏极和源极之间形成N型导电沟道。启动形成导电沟道所需的VGS值称为阈值电压或开启电压，表示为VGS(th)。显然，只有VGS>VGS(th)时才存在沟道，且VGS越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越低，导电性越强。这就是“增强”一词的由来。我来自。

图4 有耗尽层和反型层的结构示意图当在VGS>VGS(th)的条件下，在漏极D和源极S之间施加正电压VDS时，电流流向导通端。渠道。漏极电流从漏极区流向源极区，但由于沟道具有一定的电阻，所以沿沟道会产生电压降，沟道内各点电位从漏极区向源极区逐渐降低。沿通道减小。靠近源漏区一端的电压VGD最小，其值为VGD=VGS-VDS，对应的沟道最薄，靠近源区一端的电压最大，等于VGS，对应的通道最粗。这样，通道的厚度不再均匀，整个通道倾斜。随着VDS的增加，漏极区附近的沟道变得越来越薄。当VDS增加到某个临界值（例如VGDVGS（th））时，漏极端的沟道消失，只留下耗尽层。这种情况称为通道的“预夹断”，如图4(a))所示。随着我们继续增加VDS（即VDS>VGS-VGS(th)），夹断点向源移动，如图4(b) 所示。尽管夹断点发生了移动，但沟道区（从源极S 到夹断点）的电压降并没有改变，仍然等于VGS-VGS(th)。因此，VDS上的多余电压[VDS-(VGS-VGS(th))]全部减小到夹断区，并在夹断区内形成强电场。此时，电子从源极沿着沟道流向夹断区，当到达夹断区边缘时，由于夹断的强电场，它们迅速向漏极漂移。地区。

表5 预夹断区和夹断区形成示意图2P沟道增强型场效应晶体管原理P沟道增强型MOS晶体管因在N型衬底上生成P型反型层而得名。通过光刻和扩散的方法在形成的N型衬底（衬底）上制作两个掺杂P区域，并从每个区域引出电极（源极S和漏极D），同时在漏极之间形成SiO2 。在绝缘层上形成源极金属栅极G。其结构和工作原理与N沟道MOS晶体管相似，只是栅源电压和漏源电压的极性与N沟道MOS晶体管相反。正常工作时，P沟道增强型MOS管的衬底必须连接源极，漏源电压VDS必须为负，使两个P区与衬底之间的PN结均匀。栅源电压也必须为负，以反向偏置并在衬底顶部附近形成导电沟道。

图6 VDS=0时P沟道增强型MOS管结构示意图。当在栅极和源极之间施加负电压比时，由于绝缘层的存在，没有电流流动，但向金属栅极供电并积累负电荷。类型的半导体被负电荷排斥并向体移动，带正电的离子形成耗尽层。随着G-S间负电压的增大，耗尽层变宽，当VDS增大到一定值时，衬底中的空穴（次要载流子）被栅极中的负电荷吸引到表面。如图6(2)所示，在绝缘层之间形成称为反型层的P型薄层。这个反型层在漏极和源极之间形成导电沟道，此时的VGS称为导通电压VGS(th)，当达到VGS(th)时再次增加，在衬底上感应出更多的空穴。 将会完成。表面越宽，反型层中的空穴就越多，但耗尽层的宽度保持不变，因此可以利用VGS的尺寸来控制导电沟道的宽度。

图7 VDS0时P沟道增强型MOS管耗尽层和反型层形成示意图。导电沟道形成后，当D和S之间施加负电压时，源极和漏极之间流过漏极电流ID，ID随着VDS的增加而增大。 ID 沿通道产生的电压降导致通道上轨道上的每个点与栅极之间的电压不相等。该电压削弱了栅极中负电荷场的作用，导致沟道从漏极到源极逐渐变窄，如图7（1）所示。当VDS 增加到VGD=VGS（即VDS=VGS-VGS(TH)）时，沟道似乎在漏极附近被预夹断，如图7(2) 所示。随着VDS 继续增加，夹断区域仅稍微变长，但沟道电流基本上保持在夹断前的值。在靠近漏极的夹断区域，形成的漏极电流ID几乎与VDS无关。

图8 P沟道增强型MOS管预夹断区和夹断区形成示意图3N沟道耗尽型场效应管原理N沟道耗尽型MOS管结构类似增强型MOS管的特点，比较独特，不同的是，当N沟道耗尽型MOS管的栅极电压VGS=0时，沟道已经存在。这是因为N沟道在制作过程中采用离子注入，在D、S之间的衬底表面以及栅极下方的SiO2绝缘层中预掺杂了大量的金属阳离子。该通道也称为初始通道。渠道。当VGS=0时，这些正离子诱发反型层并形成沟道，因此只要存在漏源电压，漏极电流就会流动；当VGS>0时，ID进一步增加。VGS

图9 N沟道耗尽型MOS晶体管的结构（左）和传输特性（右）示意图4 P沟道耗尽型场效应晶体管的原理P沟道耗尽型MOS晶体管和N沟道耗尽型MOS晶体管工作原理管状导电载体除了供电电压的极性不同外，它们完全相同。 5、耗尽型和增强型MOS管的区别耗尽型和增强型的主要区别是耗尽型MOS管在G端（栅极）不加电压时有导电沟道；增强型是有导电沟道渠道。 MOS管只有导通时才有导电沟道，才有不同的控制方式。 VGSVGS(th)（栅极阈值电压）对于增强型MOS管来说足够了。在耗尽型N沟道MOS管中，SiO2绝缘层中掺杂有大量正Na+或K+离子（负离子是在P沟道耗尽型MOS管制造过程中添加的），所以当VGS=0时，这些电场产生正离子，电场诱导足够的电子进入P 型基板，形成N 型导电通道。对于VGS0，会产生更大的ID（漏极电流）。对于VGS0，形成的正离子减弱。电场使N 沟道变窄并减小ID。这些特性使得耗尽型MOS管实用化，但器件通电时，可能会意外触发MOS管而导致整机失效，且不易控制，其使用非常少见。因此，我们日常见到的NMOS和PMOS大多都是增强型MOS管，而其中PMOS作为高端驱动器很容易使用。但由于导通电阻高、价格高、缺乏替代品等问题，PMOS在高端驱动器中经常被NMOS取代，这也是强化型NMOS管在市场上最为常见的一个重要原因。也是。无论何种应用或产品类型，NMOS管都很常用，特别是在开关电源和电机驱动应用中。

MOS管的重要特性1、导通特性导通是指开关的作用，相当于开关的闭合。 NMOS具有VGS超过一定值时导通的特性，适用于源极接地（低端驱动）且栅极电压只有4V或10V的情况。 PMOS的特点是当VGS低于一定值时导通。这适用于源连接到VCC（高端驱动器）的情况。 2、损耗特性NMOS和PMOS在导通后都有导通电阻，电流被该电阻消耗，这个消耗的能量称为导通损耗。一般情况下，低功耗MOS管的导通电阻为几m到几十m，选择低导通电阻的MOS管可以降低导通损耗。 MOS管导通和截止时，两端电压经历下降过程，流过的电流经历上升过程，但这段时间内MOS管内的损耗是电压和电流的乘积。这称为开关损耗。开关损耗通常比传导损耗大得多，并且开关频率越快，损耗就越高。通电时电压和电流的乘积越大，损耗越大。较短的开关时间可以减少每次导通期间的损耗，较低的开关频率可以减少单位时间的开关次数。两种方法都可以降低开关损耗。 3 寄生电容的驱动特性与双极晶体管相比，MOS晶体管需要一定水平以上的GS电压才能导通，并且导通速度也必须很快。由于MOS管的结构，可知GS和GD之间存在寄生电容，原则上MOS管的驱动就是电容的充放电。给电容充电需要电流，但由于充电瞬间电容可以认为是短路的，所以瞬时电流比较大。在选择和设计MOS晶体管驱动器时，首先要记住的是可以提供的瞬时短路电流量，必须大于源电压。高端驱动MOS管导通时，源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以此时的栅极导通电压比VCC高4V或10V，电压越高，导通速度越快。导通速度越快，电阻越低。

表10 四种MOS管特性比较4 寄生二极管漏极和源极之间有一种寄生二极管，称为“体二极管”，主要用于驱动感性负载（例如电机、继电器）的应用中。然而，体二极管仅存在于单个MOS管内，并且通常不存在于集成电路芯片内。

图11 寄生二极管位置示意图5 按耐压区分的MOS管特性不同耐压的MOS管，导通电阻各部分的阻值分布不同。例如，30V MOS管的外延层电阻仅为总导通电阻的29%，而600V MOS管的外延层电阻为总导通电阻的96.5%。高压MOS管的主要区别在于，高压MOS管的反应速度比低压MOS管慢，因此即使在中压MOS管等实际应用中，特性上也存在差异。它是一种低压MOS管，可以处理大电流和高功率，只需要极低的栅极电荷，并且具有开关速度快和开关损耗特别低的特点。高压MOS管虽然有输入阻抗，但适合PWM输出方式应用，特性高，广泛应用于电子镇流器、电子变压器、开关电源等。

图12 MOS管按耐压特性列表

MOS管、三极管、IBGT的区别1、MOS管和三极管的区别三极管的正式名称是半导体三极管，主要作用是放大微小信号。 MOS管和三极管虽然有很多相似之处，但也有很多不同之处。首先是切换速度的差异。当晶体管工作时，两个PN 结中会感应出电荷。当开关管导通时，晶体管处于饱和状态。假设此时晶体管关闭，PN 结感应的电荷将需要一段时间才能恢复到平衡状态。另一方面，MOS由于操作方法的不同，不需要恢复时间，因此可以用作高速开关管。其次，控制方式不同。 MOS管是电压控制部件，晶体管是电流控制部件。如果信号源可提取的电流较小，应选择MOS管，如果信号电压较低，可从信号源提取的电流较大，应选择三极管。用过的。其次，载体种类的数量也存在差异。单极器件，在电力电子技术中所指，是指仅依靠一种类型的载流子来导电的器件。另一方面，双极器件是指依靠两种类型的载流子导电的器件。 MOS管也称为单极型器件，因为它们只使用一种多数载流子来导电，而晶体管是双极型器件，因为它们同时使用多数载流子和少数载流子来导电，也称为双极型器件。第三个区别是灵活性。有些MOS管的源极和漏极可以互换使用，栅极电压可正可负，比三极管更灵活。第四个区别是整合能力。 MOS管由于可以在非常低的电流和电压条件下工作，并且其制造工艺允许在单个硅芯片上轻松集成大量MOS管，因此被广泛应用于各种集成电路中。第五，输入阻抗和抗噪能力不同。 MOS管具有输入阻抗高、噪声低的优点，广泛应用于各种电子设备中。特别是当MOS管用于整个电子设备的输入级时，具有普通三极管难以达到的性能。达到，可以达到。最后，功耗也不同。同样的情况下，使用MOS管功耗会更低，但使用晶体管功耗会明显升高。当然，MOS管比三极管贵，所以MOS管常用于高频/高速电路、大电流区域、中心区域，以发挥两者的特点。晶体管对基极或漏极控制电流敏感，用于低成本场所，MOS管只有在失效时才考虑更换。

表13 MOS管与晶体管主要区别比较2 MOS管与IGBT的区别IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT（双极型晶体管）和MOS绝缘栅场效应管组成的复合全控电压驱动功率半导体该器件结合了MOSFET 高输入阻抗和功率晶体管(GTR) 低导通压降的优点。 GTR的饱和电压较低，载流密度较大，但驱动电流较大；MOSFET的驱动力较小，开关速度较快，但导通压降较大，载流密度较大。较小. IGBT结合了上述两种器件的优点：低驱动功率和低饱和电压。常见的IGBT分为单管和模块化两种。单管外观与MOS管类似。常见的制造商包括富士电机、仙童半导体等。模块化产品通常由多个内部封装并内部连接的单管IGBT 组成。连接到适当的电路。 IGBT的原理是先导通MOS管，然后驱动三极管导通，所以这个原理使得IGBT的开关速度比MOS管慢，但比三极管快。 IGBT的制造成本比MOS管高很多，但这是因为制造IGBT需要在晶圆背面进行离子注入以及对晶圆进行低温退火（激光退火等），两者都是需要的。 成为。这些是专门为晶圆加工设计的昂贵机器。低压MOS管在低压时的通电压降一般控制在0.5V以下（基本不超过1V）。例如IR4110低压MOS管内阻为4m，通电电流是100A。电压降约为0.4V。较低的导通电压意味着较低的导通损耗和较低的开关损耗，所以IGBT在电性能方面比MOS管没有优势，但在性价比方面MOS管更有优势，因此基本上是隐形低压IGBT。 MOS管最大的缺点是其内阻随着耐压的升高而迅速增大，因此在高压条件下其内阻变得极大，无法用于大功率应用。在高压领域，MOS管的开关速度仍然是最快的，但高压下MOS管的导通压降很大（内阻随着耐压的增加而迅速增加），即使高耐压COOLMOS 即使是电子管，当电压为600V时，导通电阻也能达到几欧姆，导致电流电阻很小。在高电压下，IGBT的导通压降增加很小（IGBT的导通电流由三极管处理）。因此，IGBT在高电压下无论是开关速度快还是三极管的大电流特性都具有明显的优势。此外，新一代IGBT产品具有更快的开关速度（纳秒级），导通压降和开关损耗显着改善，使IGBT更能抵抗脉冲电流的影响。高耐压、低驱动力的优势更加明显。在需要耐压超过150V的使用条件下，使用MOS管基本没有优势。比较常见的IRFS4115和第四代IGBT型号SKW30N60，在150V和20A连续工作条件下工作时，前者的开关损耗为6mJ/脉冲，而后者的开关损耗仅为1.15mJ/脉冲。如果在工况下采用前者/5；限制，两者的用电负荷差异会更大。目前，在冶金、钢铁、高铁、船舶等需要大功率的领域，MOS管还很少见，而IGBT器件则被广泛使用。一般来说，IGBT适用于高电压、大电流、低频（20KHZ左右）的场所。电压越高，IGBT的好处就越大。在600V 以上，IGBT 的优势变得非常明显。另一方面，MOSFET 适用于低电压。在小电流、低频（几十KHz到几MHz）领域，电压越低，MOS管越有优势。

MOS管的主要参数场效应管有极限参数、电动特性参数、静电特性参数等多种参数，其中重要的参数有饱和漏源电流IDSS、夹断电压Up、开通电压等。 VT（强化绝缘栅管）、跨导gM、漏源击穿电压BVDS、最大功耗PDSM、最大漏源电流IDSM等。 1 最大额定参数所有最大额定参数必须在Ta=25C 时。

图14 MOS管绝对最大额定值示例VDS/VDSS 漏源电压最大值为栅源短路时，漏源额定电压为VDSS（或表示为V(BR)DSS） . 是发生雪崩击穿之前漏极和源极之间施加的最大电压。根据温度的不同，实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS。 VGS/VGSS 最大栅源电压VGS [或V(BR)GSS] 额定电压是可以施加在栅源之间的最大电压。设置该电压额定值的主要目的是防止电压过高对栅极氧化层造成损坏。实际栅极氧化层所能承受的电压远高于额定电压，但随制造工艺的不同而不同，因此将VGS保持在额定电压范围内可以保证应用的可靠性。 ID 连续漏电流ID 定义为芯片处于最大额定结温TJ（max）且管子表面温度大于或等于25C 时允许的最大连续直流电流。该参数是额定结到外壳热阻RJC 和外壳温度的函数。

ID不包含开关损耗，实际使用中很难保持管子表面温度在25（Tcase）。因此，硬开关应用中的实际开关电流通常小于TC=25C 时ID 额定值的一半，通常在1/3 和1/4 之间。注：热阻JA可以用来估计特定温度下的ID，这个值比较真实。 IDM/IDSM 脉冲漏极电流/最大漏源电流该参数反映了器件可以处理的脉冲电流水平，该电流远高于连续直流电流。定义IDM的目的是线路的欧姆区。 MOSFET 导通后，在给定栅源电压下存在最大漏极电流。如图15所示，对于给定的栅源电压，如果工作点位于线性区，则漏极电流随着漏源电压的增加而增加，导致导通损耗增加。长时间大功率工作可能会导致设备故障。因此，对于典型的栅极驱动电压，标称IDM 应设置在曲线与VGS 相交的区域以下。

图15 由于MOSFET导通后存在最大漏极电流，因此必须设置电流密度的上限，以防止芯片因温度过高而烧毁。这本质上是为了防止过多的电流流过封装引线，因为整个芯片上的“最弱连接”可能是封装引线而不是芯片。考虑到IDM的热效应，温升取决于脉冲宽度、脉冲之间的时间间隔、散热条件、RDS(on)以及脉冲电流波形和幅度。仅仅确保脉冲电流不超过IDM 限值并不能保证结温不会超过最大允许值。要估计脉冲电流下的结温，请参阅热特性和机械特性中瞬时热阻的讨论。 PDSM最大功耗是允许通道功耗的总和，校准器件可以耗散的最大功耗，可以表示为25C外壳温度下最大结温和热阻的函数。 TJ 和TSTG 这两个参数（工作温度和存储环境温度范围）校准器件工作和存储环境允许的结温范围。该温度范围旨在满足设备的最低工作寿命要求。如果保证设备在此温度范围内运行，其使用寿命将显着延长。 EAS 单脉冲雪崩击穿能量如果电压过冲（通常由于漏电流和杂散电感）不超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，因此不需要消除雪崩击穿的功能。雪崩击穿能量校准设备可以承受的瞬时过冲电压的安全值。这取决于雪崩击穿时需要耗散的能量。具有定义的雪崩能量额定值的设备通常也定义了EAS 额定值。额定雪崩屈服能量与额定UIS 含义相同。 EAS 校准设备可以安全吸收的反向雪崩击穿能量。 L 是电感值，ID 是流过电感的峰值电流，该电流迅速转换为测量设备的漏极电流。当电感器两端的电压超过MOSFET 的击穿电压时，就会发生雪崩击穿。当发生雪崩击穿时，即使MOSFET 处于关断状态，电感电流也会流过MOSFET 器件。电感器中存储的能量与杂散电感中存储并由MOSFET 耗散的能量类似。 MOSFET并联使得不同器件之间很难获得相同的击穿电压。正常情况下，给定器件首先经历雪崩击穿，然后所有雪崩击穿电流（能量）流过该器件。 EAR Recurring Avalanche Energy 尽管Recurring Avalanche Energy已成为“行业标准”，但如果不设置频率、其他损耗和冷却，该参数就没有意义。散热（冷却）要求通常会限制重复的雪崩能量。预测雪崩击穿产生的能量也很困难。 EAR等级的真正含义是校准器件能够承受的重复雪崩击穿能量。此定义的先决条件是频率没有限制，以便设备不会过热。这对于可能发生雪崩击穿的设备来说是现实的。在验证器件设计的过程中，在工作条件下测量器件或散热器的温度通常很有用，以观察MOSFET器件是否过热，特别是对于可能发生雪崩击穿的器件来说是最好的。 IAR 雪崩击穿电流在某些器件中，必须限制雪崩电流IAR，因为雪崩击穿期间电流会聚集在芯片上。这样，雪崩电流就成为雪崩击穿能量规格中的“深潜”，揭示了器件的真实性能。

图16 雪崩损坏容限测量电路及波形SOA 安全工作区每个MOS 管都被赋予了一个安全工作区，但由于功率MOS 管不会出现二次失效，所以安全工作区只是最大允许结温。达到一个值。耗电量值。 2 静电特性

图17 静电特性及参数表V(BR)DSS/VBDSS 漏源击穿电压（击穿电压），简称BVDS，是指栅源短路时流到一定值的漏电流。特定温度、漏源电压。这种情况下的漏源电压就是雪崩击穿电压。 V(BR)DSS 具有正温度系数，最大漏源电压额定值随着温度降低而降低。在-50C 时，V(BR)DSS 约为25C 时最大漏源电压额定值的90%。 。 BVGS 当栅极电流IG 从零快速增加而栅极-源极电压增加时，栅极-源极击穿电压VGS。 VGS(th) 阈值电压，也表示为VT，是指施加栅源电压时漏极开始流过的电压，或者MOSFET关断而无电流流过时的电压。还有诸如、漏源电压和结温等规格。一般情况下，所有MOS栅极器件都有不同的阈值电压。因此，定义了VGS(th)的变化范围。 VGS(th) 是负温度系数；随着温度升高，MOSFET 以较低的栅源电压导通。 VGS(off) 夹断电压，也称为Up，是指结型或耗尽型绝缘栅场效应晶体管中漏源连接刚刚断开时的栅极电压。 RDS(on) 导通电阻是在指定的漏极电流（通常是ID 电流的一半）、栅源电压和25C 条件下测得的漏源电阻。 RGS的栅源电阻是施加在栅极和源极之间的电压与栅极电流的比值，这一特性有时用流过栅极的栅极电流来表示，但MOS管的RGS为1010。可能会稍微超出。 IDSS零栅压漏极电流也称为饱和漏源极电流，是指当栅源极电压VGS=0时，在特定漏源极电压下，漏极和源极之间的漏电流。漏电流随温度增加而增加，因此IDSS 是在室温和高温下指定的。漏电流引起的功率损耗可以通过IDSS乘以漏源电压来计算。