mos管

mos管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

中文名：mos管

外文名：metaloxidesemiconductor

元素：氧化物(oxid)

别称：金属—氧化物—半导体

型号：电压/电流封装

1、定义

双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后，在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比（beta）。另一种晶体管，叫做场效应管（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transconductance，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（N沟道耗尽型MOS管）。而P沟道常见的为低压mos管。

N沟道mos管符号

场效应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,金属氧化物半导体场效应管（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。

P沟道mos管符号

2、详细介绍

首先考察一个更简单的器件——MOS电容——能更好的理解MOS管。这个器件有两个电极，一个是金属，另一个是extrinsicsilicon（外在硅），他们之间由一薄层二氧化硅分隔开。金属极就是GATE，而半导体端就是backgate或者body。他们之间的绝缘氧化层称为gatedielectric（栅介质）。图示中的器件有一个轻掺杂P型硅做成的backgate。这个MOS电容的电特性能通过把backgate接地，gate接不同的电压来说明。MOS电容的GATE电位是0V。金属GATE和半导体BACKGATE在WORKFUNCTION上的差异在电介质上产生了一个小电场。在器件中，这个电场使金属极带轻微的正电位，P型硅负电位。这个电场把硅中底层的电子吸引到表面来，它同时把空穴排斥出表面。这个电场太弱了，所以载流子浓度的变化非常小，对器件整体的特性影响也非常小。

当MOS电容的GATE相对于BACKGATE正偏置时发生的情况。穿过GATEDIELECTRIC的电场加强了，有更多的电子从衬底被拉了上来。同时，空穴被排斥出表面。随着GATE电压的升高，会出现表面的电子比空穴多的情况。由于过剩的电子，硅表层看上去就像N型硅。掺杂极性的反转被称为inversion，反转的硅层叫做channel。随着GATE电压的持续不断升高，越来越多的电子在表面积累，channel变成了强反转。Channel形成时的电压被称为阈值电压Vt。当GATE和BACKGATE之间的电压差小于阈值电压时，不会形成channel。当电压差超过阈值电压时，channel就出现了。

MOS电容：（A）未偏置（VBG=0V），（B）反转（VBG=3V），（C）积累（VBG=-3V）。

正是当MOS电容的GATE相对于backgate是负电压时的情况。电场反转，往表面吸引空穴排斥电子。硅表层看上去更重的掺杂了，这个器件被认为是处于accumulation状态了。

MOS电容的特性能被用来形成MOS管。Gate，电介质和backgate保持原样。在GATE的两边是两个额外的选择性掺杂的区域。其中一个称为source，另一个称为drain。假设source和backgate都接地，drain接正电压。只要GATE对BACKGATE的电压仍旧小于阈值电压，就不会形成channel。Drain和backgate之间的PN结反向偏置，所以只有很小的电流从drain流向backgate。如果GATE电压超过了阈值电压，在GATE电介质下就出现了channel。这个channel就像一薄层短接drain和source的N型硅。由电子组成的电流从source通过channel流到drain。总的来说，只有在gate对source电压V超过阈值电压Vt时，才会有drain电流。

在对称的MOS管中，对source和drain的标注有一点任意性。定义上，载流子流出source，流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置来决定了。有时晶体管上的偏置电压是不定的，两个引线端就会互相对换角色。这种情况下，电路设计师必须指定一个是drain另一个是source。

Source和drain不同掺杂不同几何形状的就是非对称MOS管。制造非对称晶体管有很多理由，但所有的最终结果都是一样的。一个引线端被优化作为drain，另一个被优化作为source。如果drain和source对调，这个器件就不能正常工作了。

晶体管有N型channel所有它称为N-channelMOS管，或NMOS。P-channelMOS（PMOS）管也存在，是一个由轻掺杂的N型BACKGATE和P型source和drain组成的PMOS管。如果这个晶体管的GATE相对于BACKGATE正向偏置，电子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就积累，没有channel形成。如果GATE相对于BACKGATE反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此PMOS管的阈值电压是负值。由于NMOS管的阈值电压是正的，PMOS的阈值电压是负的，所以工程师们通常会去掉阈值电压前面的符号。一个工程师可能说，“PMOSVt从0.6V上升到0.7V”，实际上PMOS的Vt是从-0.6V下降到-0.7V。

3、主要参数

1.开启电压VT

·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；

·标准的N沟道MOS管，VT约为3～6V；

·通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2～3V。

2.直流输入电阻RGS

·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比

·这一特性有时以流过栅极的栅流表示

·MOS管的RGS可以很容易地超过1010Ω。

3.漏源击穿电压BVDS

·在VGS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS

·ID剧增的原因有下列两个方面：

（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿

（2）漏源极间的穿通击穿

·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID

4.栅源击穿电压BVGS

·在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。

5.低频跨导gm

·在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导

·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力

·是表征MOS管放大能力的一个重要参数

·一般在十分之几至几mA/V的范围内

6.导通电阻RON

·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数

·在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间

·由于在数字电路中，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似

·对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内

7.极间电容

·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS

·CGS和CGD约为1～3pF

·CDS约在0.1～1pF之间

8.低频噪声系数NF

·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的

·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化

·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）

·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小

·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数

·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小

4、发热分析

做电源设计，或者做驱动方面的电路，难免要用到MOS管。MOS管有很多种类，也有很多作用。做电源或者驱动的使用，当然就是用它的开关作用。

MOS管的工作原理

图1MOS管的工作原理

NMOS管的开路漏极电路

图2NMOS管的开路漏极电路

在开关电源应用方面，这种应用需要MOS管定期导通和关断。比如，DC-DC电源中常用的基本降压转换器依赖两个MOS管来执行开关功能，这些开关交替在电感里存储能量，然后把能量释放给负载。我们常选择数百kHz乃至1MHz以上的频率，因为频率越高，磁性元件可以更小更轻。在正常工作期间，MOS管只相当于一个导体。因此，我们电路或者电源设计人员最关心的是MOS的最小传导损耗。

我们经常看MOS管的PDF参数，MOS管制造商采用RDS(ON)参数来定义导通阻抗，对开关应用来说，RDS(ON)也是最重要的器件特性。数据手册定义RDS(ON)与栅极(或驱动)电压VGS以及流经开关的电流有关，但对于充分的栅极驱动，RDS(ON)是一个相对静态参数。一直处于导通的MOS管很容易发热。另外，慢慢升高的结温也会导致RDS(ON)的增加。MOS管数据手册规定了热阻抗参数，其定义为MOS管封装的半导体结散热能力。RθJC的最简单的定义是结到管壳的热阻抗。

其发热情况有：

1.电路设计的问题，就是让MOS管工作在线性的工作状态，而不是在开关状态。这也是导致MOS管发热的一个原因。如果N-MOS做开关，G级电压要比电源高几V，才能完全导通，P-MOS则相反。没有完全打开而压降过大造成功率消耗，等效直流阻抗比较大，压降增大，所以U*I也增大，损耗就意味着发热。这是设计电路的最忌讳的错误。

2.频率太高，主要是有时过分追求体积，导致频率提高，MOS管上的损耗增大了，所以发热也加大了。

3.没有做好足够的散热设计，电流太高，MOS管标称的电流值，一般需要良好的散热才能达到。所以ID小于最大电流，也可能发热严重，需要足够的辅助散热片。

4.MOS管的选型有误，对功率判断有误，MOS管内阻没有充分考虑，导致开关阻抗增大。

5、常见型号

型号电压/电流封装

2N700060V,0.115ATO-92

2N700260V,0.2ASOT-23

IRF510A100V,5.6ATO-220

IRF520A100V,9.2ATO-220

IRF530A100V,14ATO-220

IRF540A100V,28ATO-220

IRF610A200V,3.3ATO-220

IRF620A200V,5ATO-220

IRF630A200V,9ATO-220

IRF634A250V,8.1ATO-220

IRF640A200V,18ATO-220

IRF644A250V,14ATO-220

IRF650A200V,28ATO-220

IRF654A250V,21ATO-220

IRF720A400V,3.3ATO-220

IRF730A400V,5.5ATO-220

IRF740A400V,10ATO-220

IRF750A400V,15ATO-220

IRF820A500V,2.5ATO-220

IRF830A500V,4.5ATO-220

IRF840A500V,8ATO-220

IRFP150A100V,43ATO-3P

IRFP250A200V,32ATO-3P

IRFP450A500V,14ATO-3P

IRFR024A60V,15AD-PAK

IRFR120A100V,8.4AD-PAK

IRFR214A250V,2.2AD-PAK

IRFR220A200V,4.6AD-PAK

IRFR224A250V,3.8AD-PAK

IRFR310A400V,1.7AD-PAK