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场效应管是一种 电压控电流 的器件。其中,我们常用的 MOS 管是由是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)组成的场效应晶体管。下文着重介绍以增强型 N 管。
场效应管的引脚与三极管相对应:栅极 / 门极(G)对应基极(b),漏极(D)对应集电极(c),源极(S)对应发射级(e)。箭头指电子运动的方向。
所有场效应管在正常工作时,门级都不会有电流。所以,漏极电流一定等于源极电流。其核心是用 GS 两端电压来控制漏极电流。所以也称为压控型元器件。
MOS 管的引脚定义
MOS 管有三个引脚(G,S,D)其定义如下:
- G:gate / 栅极
- S:source / 源极
- D:drain / 漏极
N 沟道的电源一般接在 D,输出接 S;P 沟道的电源一般接在 S,输出接 D,增强型 / 耗尽型接法基本一样。
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,在大多数情况下,这个两个区是一样的,即使对调也不会影响性能。
寄生二极管
由于生产工艺,MOS 管会有寄生二极管,或称体二极管。
当满足 MOS 管的导通条件时,MOS 管的 D 极和 S 极会导通,这个时候体二极管是截止状态。因为 MOS 管导通内阻很小,不足以使寄生二极管导通。
MOS 管的导通条件
MOS 管是压控型,由 G 和 S 极之间压差决定是否导通。
对 N-MOS 来说,当 Vg−Vs>Vgs(th) 即可导通。
对 P-MOS 来说,当 Vs−Vg>Vgs(th) 即可导通。
增强型 MOS 管的特性
增强型 MOS 管的结构,是在 P 型硅衬底上,制作两个 N 型沟槽,用铝从其引出两个电极分别作为源极 S 和漏极 D(此时 D/S 可互换),然后在半导体的表面覆盖一层很薄的 SiO2 绝缘层,在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极 G,在衬底上也引出一个电极 B。因为出厂时大多把衬底已经和源极连在一起,所以此时 D/S 不可互换
如图是增强型 MOSFET 的伏安特性曲线,左图为转移特性,右图为输出特性,他们共用纵轴。
伏安特性的关键要素:
- 开启电压 UGS(th):从图中可以看出 UGS(th)=1V。当 UGS<UGS(th) 时,无论 UDS 多大,电流 iD 始终为 0。当 UGS>UGS(th) 时,MOSFET 才算开启。
- 恒流区方程:\(i_D = K(u_{GS}-U_{GS_(th))^2\),其中,K 影响转移特性曲线的增长速率(单位是 A/V2)
- 可变电阻区和恒流区的分界线:随着 UGS 增加,分界点电压 UDSdv 也在增加,且满足 UDSdv=UGS−UGS(th)
MOSFET 工作状态
MOSFET 不同于三极管,因为某些型号封装内有并联二极管,所以其 D 和 S 极是不能反接的,且 N 管必须由 D 流向 S,P 管必须由 S 流向 D。可以用下表判断工作状态:
几个工作区:
- 截止区:当 UGS 小于开启电压 UGS(th) 时,MOS 不导通。
- 可变电阻区:UDS 很小,ID 随 UDS 增大而增大。
- 恒流区:UDS 变化,ID 变化很小。
- 击穿区:UDS 达到一定值时,MOS 被击穿,ID 突然增大,如果没有限流电阻,将被烧坏。
- 过损耗区:功率较大,需要加强散热,注意最大功率。
MOSFET 主要参数
直流参数:
- 开启电压 UGS(th):增强型 MOS 的参数。指当 UDS 不变时,使得 iD>0 所需最小的 |uGS| 的值。
- 夹断电压 UGS(off):结型场效应管和耗尽型 MOS 的参数,与 UGS(th) 相似,代表当 UDS 不变时,iD 为规定的微小电流时的 uGS。
- 直流输入电阻 UGS(DC):栅 – 源电压与栅极电流之比,一般 MOS 的 UGS(DC)>109Ω。
选型关键参数:
- 击穿电压 V_BRDSS
- 随温度变化,应留足余量
- 导通电阻 R_DS (on)
- 导通电阻正温度系数,适合并联工作
- 导通电阻越小,导通损耗越小
- 导通电阻越小,Qg 就越大,相应的开关速度变慢
- 带来的开关损耗越大,高频工作下需要折中考虑
- 最大结温
- 永远不能超过最大结温
- 只能测量壳温后通过热阻计算而得
- 动态电容和 Qg
- 不是固定值,取决于工作条件
- 作为开关时希望快速打开,需要一个驱动芯片提供瞬间大电流
- 作为缓启动 MOS,需要慢慢打开,有效抑制浪涌电流
N-MOS:
- 门极需要一个比源极更高的电压驱动
- 更好的性能
- 更多的选择
- 更低的成本
P-MOS:
- 门极需要一个比源极低的电压驱动
- 不需要更高的电压驱动,驱动简单
三极管与场效应管的对比
三极管 | 场效应管 | |
---|---|---|
特性 | 电流控电流 | 电压控电流 |
输入阻抗 | 低 | 高 |
噪声 | 大 | 小 |
反应速度 | 快 | 慢 |
反馈
定义:将放大电路输出端信号(电压 / 电流)一部分或全部引回到输入端,与输入信号进行叠加。
MOS 管常见的封装
SOT 封装
SOT(Small Out-Line Transistor,小外形晶体管封装)封装一般用于小功率 MOS 管。
SOT-23 封装:
SOT-89 封装:
TO 封装
TO(Transistor Out-line,晶体管外形)是比较早期的封装规格,原来多为直插封装(例如 TO-92,TO-220,TO-252),后来也慢慢进化到标贴式封装。TO252 和 TO263 是其典型,其中 TO-252 又称之为 D-PAK,TO-263 又称之为 D2PAK。
D-PAK 封装的 MOS 管有 3 个电极,其中漏极(D)的引脚被剪断不用,而是用背面的散热板作为漏极,能输出更大电流的同时也能更好地散热。
TO-252 封装:
TO-263 封装:
SOP 封装
SOP(Small Out-Line Package,小外形封装),也叫 SO、SOL 或 DFP。通常有 SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28 等等(数字表示引脚数)。MOS 的 SOP 封装多数采用 SOP-8 规格。
SOP-8 封装:
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