老树根家的胖豆豆

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搞硬件开发,我们先深度聊聊MOS管

目前尤其在大功率半导体领域,各种结构的 MOS 管更是发挥着不可替代的作用。作为一个基础器件,往往集简单与复杂与一身,简单在于它的结构,复杂在于基于应用的深入考量。
一、MOS管的半导体结构
那么,在半导体工艺里,如何制造MOS管的?
o4YBAFzakmGAYHq1AABTm7EXj-8769.jpg
MOS管的符号描述为:
o4YBAFzakmKAWiWvAABG-wkHGOs416.jpg
以增强型MOS管为例,我们先简单来看下MOS管的工作原理。
如上图,在开启电压不足时,N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。
下图是一个简单的MOS管开启模拟:
o4YBAFzakmOAPO5zAAAezqJvIHw494.jpg
o4YBAFzakmOAcDsSAACPbQ9J0Rk584.jpg
下面我们先从器件结构的角度看一下MOS管的开启全过程。
一定范围内Vgs>Vth,Vds<vgs-vth,vgs 越大,反型层越宽,电流越大。这个区域为="" mos="" 管的线性区(可变电阻区)。即:
Vds为常数时,Vgs上升,Id近似线性上升,表现出一种压控电阻的特性。
2、Vds对MOS管沟道的控制
o4YBAFzakmWADhOAAABwbz291Js452.jpg
当Vds>Vgs-Vth后,我们可以看到因为DS之间的电场开始导致右侧的沟道变窄,电阻变大。所以电流Id增加开始变缓慢。当Vds增大一定程度后,右沟道被完全夹断了!
o4YBAFzakmaAam8mAABoaTxJ46E713.jpg
这个区域为MOS管的恒流区,也叫饱和区,放大区。
重点备注:MOS管与三极管的工作区定义差别
MOS管的饱和区:输出电流Id不随输出电压Vds变化。
o4YBAFzakmaAd1i6AABFQhoAjwQ727.jpg
o4YBAFzakmeALj1DAABjnakdyt8340.jpg
o4YBAFzakmeANqFzAABGD3caPCE526.jpg
Vgs过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。
三、MOS管的开关过程分析
详细开启过程为:
o4YBAFzakmiAL3NXAACJsa6TEzk674.jpg
t1~t2阶段:Vgs达到Vth后,MOS管开始逐渐开启至满载电流值Io,出现电流Ids,Ids与Vgs呈线性关系,这个阶段是MOS管的可变电阻区,或者叫线性区。
o4YBAFzakmiABB8XAABNrICp2IA142.jpg
在这一区域内,因为米勒效应,等效输入电容变为(1+K)Cgd。
在放大区的MOS管,米勒电容跨接在输入和输出之间,为负反馈作用。具体反馈过程为:Vgs增大>mos开启后Vds开始下降>因为米勒电容反馈导致Vgs也会通过Cgd放电下降。这个时候,因为有外部栅极驱动电流,所以才会保持了Vgs不变,而Vds还在下降。
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我们可以通过仿真看下具体过程:
o4YBAFzakmqAW-vBAAA-ZRkNLFg646.jpg
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目前减小MOS管米勒效应的几种措施:
b:ZVS零电压开关技术是可以消除米勒效应的,即在Vds为0时开启沟道,在大功率应用时较多。
d:有源米勒钳位。即在栅极增加三极管,关断时拉低栅极电压。
o4YBAFzakmyAQbVGAABUE27Ke4U158.jpg
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上面已经详细介绍了MOS管的工作机制,那么我们再来看datasheet这些参数就一目了然了。
o4YBAFzakm2AEq6AAAD_vpBHMTI115.jpg
功率应用中尤其考虑导通电阻、米勒电容等,高速应用中重点考虑寄生电容。
反向恢复时间是一个重要参数,它表示MOS管由开启到截止的恢复时间,时间太长会极大影响速度和功耗。
o4YBAFzaknCAH0LaAAC4LzzcRlI622.jpg
在分立器件NMOS管中,S端一般衬底,所以导致DS之间有一个寄生二极管。
寄生二极管具有保护MOS管的作用,导出瞬间反向的大电流。
4.1直接驱动
特点:驱动环路距离不能太远,否则因为寄生电感降低开关速度和导致振铃。另外,一般驱动器也难以提供很大的驱动电流。
PWM驱动通过推挽结构来驱动栅极
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4.3栅极驱动加速电路
o4YBAFzaknKAMjNNAAAev0EXShc875.jpg
4.4PNP关断电路
o4YBAFzaknKAWrCwAAAqVkvPw0Q229.jpg
五、小结

以上大概详细介绍了MOS管这一半导体基础元器件的工作原理和应用,具体到工作中还需要的是实际测试和实验,特别是不断在一些应用中,尤其是应用问题中加深理解。这样或许才能真正的把相关基础知识融入到自己的能力中,游刃有余的解决技术问题。搞技术嘛,和做人一样,从小处做,往高处看。

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阿常

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阿常 2021-1-31 08:34:37 显示全部楼层
mos管的工作原理非常好懂。就是有时候用的时候选型太复杂。稍不注意就会烧坏。
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