mos管

发布时间：2024-03-28 11:06
作者：AMEYA360
来源：网络
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　　MOS管是一种基于金属-氧化物-半导体结构的场效应晶体管。它由源极、漏极、栅极和绝缘层构成。通过调节栅极电压，可以控制电流在源极和漏极之间的通断状态。MOS管由于其优异的性能和可靠性，成为现代电子设备中不可或缺的组成部分。


mos管的工作原理

　　MOS管的工作原理基于半导体材料中载流子的输运和场效应。当栅极施加正电压时，形成一个与半导体表面相邻的氧化物层，这一层阻挡了电荷的移动。通过调节栅极电压，可以改变氧化物层下方半导体区域的电荷密度，并控制电流在源极和漏极之间的通断状态。


mos管的分类

　　MOS管可以根据不同的结构和工作模式进行分类。以下是几种常见的MOS管分类：

　　3.1 N沟道MOS(NMOS)

　　N沟道MOS管中，半导体材料为N型沟道，通过正电压施加于栅极将形成一个PN结。当栅极电压高于阈值电压时，形成一个导电通道，使得电流从源极流向漏极。这种MOS管主要用于低功耗应用和数字逻辑电路。

　　3.2 P沟道MOS(PMOS)

　　P沟道MOS管中，半导体材料为P型沟道，通过负电压施加于栅极将形成一个PN结。当栅极电压低于阈值电压时，形成一个导电通道，使得电流从漏极流向源极。这种MOS管也主要用于低功耗应用和数字逻辑电路。

　　3.3 增强型MOS(Enhancement-mode)

　　增强型MOS管需要在栅极上施加一个足够的电压，使得氧化物下方形成一个导电通道。只有在达到阈值电压以上时，才能实现源极和漏极之间的电流传输。

　　3.4 耗尽型MOS(Depletion-mode)

　　耗尽型MOS管中，基于材料的特性，在栅极上施加负电压就可以形成导电通道，而不需要达到阈值电压。当栅极电压为零时，形成最大导通状态。

mos管的特性

　　MOS管具有以下几个主要特性：

　　高开关速度：MOS管具有快速的开关速度，可以迅速切换电流通断状态。这使得它们在数字逻辑电路和高频应用中非常受欢迎。

　　低功耗：由于MOS管在导通状态下消耗的功率非常低，因此它们被广泛应用于低功耗设备和节能系统中。这使得电子设备更加高效和可靠。

　　高输入阻抗：MOS管具有很高的输入阻抗，使其可以轻松接受输入信号，并减少对外部电路的负载影响。这使得它们非常适合用作放大器和开关。

　　噪声小：相比其他类型的晶体管，MOS管的噪声水平较低。这使得它们在精密测量、音频处理和传感器应用中特别有用。

　　温度稳定性好：MOS管对温度的变化非常敏感，并且具有良好的温度稳定性。这使得它们在高温或极端环境下工作的应用中具有优势。

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　　Source、Drain、Gate —— 场效应管的三极：源级S、漏级D、栅级G。(这里不讲栅极GOX击穿了啊，只针对漏极电压击穿)　　先讲测试条件，都是源栅衬底都是接地，然后扫描漏极电压，直至Drain端电流达到1uA。所以从器件结构上看，它的漏电通道有三条：Drain到source、Drain到Bulk、Drain到Gate。　　Drain→Source穿通击穿：　　这个主要是Drain加反偏电压后，使得Drain/Bulk的PN结耗尽区延展，当耗尽区碰到Source的时候，那源漏之间就不需要开启就形成了通路，所以叫做穿通(punch through)。　　那如何防止穿通呢?这就要回到二极管反偏特性了，耗尽区宽度除了与电压有关，还与两边的掺杂浓度有关，浓度越高可以抑制耗尽区宽度延展，所以flow里面有个防穿通注入(APT：AnTI Punch Through)，记住它要打和well同type的specis。　　当然实际遇到WAT的BV跑了而且确定是从Source端走了，可能还要看是否 PolyCD或者Spacer宽度，或者LDD_IMP问题了，那如何排除呢?这就要看你是否NMOS和PMOS都跑了?POLY CD可以通过Poly相关的WAT来验证。对吧?　　对于穿通击穿，有以下一些特征：　　✦穿通击穿的击穿点软，击穿过程中，电流有逐步增大的特征，这是因为耗尽层扩展较宽，产生电流较大。另一方面，耗尽层展宽大容易发生DIBL效应，使源衬底结正偏出现电流逐步增大的特征。　　✦穿通击穿的软击穿点发生在源漏的耗尽层相接时，此时源端的载流子注入到耗尽层中，被耗尽层中的电场加速达到漏端，因此，穿通击穿的电流也有急剧增大点，这个电流的急剧增大和雪崩击穿时电流急剧增大不同，这时的电流相当于源衬底PN结正向导通时的电流，而雪崩击穿时的电流主要为PN结反向击穿时的雪崩电流，如不作限流，雪崩击穿的电流要大。　　✦穿通击穿一般不会出现破坏性击穿。因为穿通击穿场强没有达到雪崩击穿的场强，不会产生大量电子空穴对。　　✦穿通击穿一般发生在沟道体内，沟道表面不容易发生穿通，这主要是由于沟道注入使表面浓度比浓度大造成，所以，对NMOS管一般都有防穿通注入。　　✦一般的，鸟嘴边缘的浓度比沟道中间浓度大，所以穿通击穿一般发生在沟道中间。　　✦多晶栅长度对穿通击穿是有影响的，随着栅长度增加，击穿增大。而对雪崩击穿，严格来说也有影响，但是没有那么显著。　　Drain→Bulk雪崩击穿：　　这就单纯是PN结雪崩击穿了(Avalanche Breakdown)，主要是漏极反偏电压下使得PN结耗尽区展宽，则反偏电场加在了PN结反偏上面，使得电子加速撞击晶格产生新的电子空穴对 (Electron-Hole pair)，然后电子继续撞击，如此雪崩倍增下去导致击穿，所以这种击穿的电流几乎快速增大，I-V curve几乎垂直上去，很容烧毁的。(这点和源漏穿通击穿不一样)　　那如何改善这个junction BV呢?所以主要还是从PN结本身特性讲起，肯定要降低耗尽区电场，防止碰撞产生电子空穴对，降低电压肯定不行，那就只能增加耗尽区宽度了，所以要改变 doping profile了，这就是为什么突变结(Abrupt junction)的击穿电压比缓变结(Graded junction)的低。这就是学以致用，别人云亦云啊。　　当然除了doping profile，还有就是doping浓度，浓度越大，耗尽区宽度越窄，所以电场强度越强，那肯定就降低击穿电压了。而且还有个规律是击穿电压通常是由低 浓度的那边浓度影响更大，因为那边的耗尽区宽度大。公式是BV=K*(1/Na+1/Nb)，从公式里也可以看出Na和Nb浓度如果差10倍，几乎其中一 个就可以忽略了。　　那实际的process如果发现BV变小，并且确认是从junction走的，那好好查查你的Source/Drain implant了。　　Drain→Gate击穿：　　这个主要是Drain和Gate之间的Overlap导致的栅极氧化层击穿，这个有点类似GOX击穿了，当然它更像Poly finger的GOX击穿了，所以他可能更care poly profile以及sidewall damage了。当然这个Overlap还有个问题就是GIDL，这个也会贡献Leakage使得BV降低。　　上面讲的就是MOSFET的击穿的三个通道，通常BV的case以前两种居多。Off-state下的击穿，也就是Gate为0V的时候，但是有的时候Gate开启下Drain加电压过高也会导致击穿的，我们称之为On-state击穿。这种情况尤其喜欢发生在Gate较低电压时，或者管子刚刚开启时，而且几乎都是NMOS。所以我们通常WAT也会测试BVON。　　02、如何处理MOS管小电流发热严重情况?　　MOS管，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。　　无论N型或者P型MOS管，其工作原理本质是一样的。MOS管是由加在输入端栅极的电压来控制输出端漏极的电流。MOS管是压控器件它通过加在栅极上的电压控制器件的特性，不会发生像三极管做开关时的因基极电流引起的电荷存储效应，因此在开关应用中，MOS管的开关速度应该比三极管快。　　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。　　03、MOS管小电流发热的原因　　✦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。　　✦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。　　✦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。　　✦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。　　04、MOS管小电流发热严重怎么解决　　✦做好MOS管的散热设计，添加足够多的辅助散热片。　　✦贴散热胶。　　05、MOS管为什么可以防止电源反接?　　电源反接，会给电路造成损坏，不过，电源反接是不可避免的。所以，我们就需要给电路中加入保护电路，达到即使接反电源，也不会损坏的目的。　　一般可以使用在电源的正极串入一个二极管解决，不过，由于二极管有压降，会给电路造成不必要的损耗，尤其是电池供电场合，本来电池电压就3.7V，你就用二极管降了0.6V，使得电池使用时间大减。　　MOS管防反接，好处就是压降小，小到几乎可以忽略不计。现在的MOS管可以做到几个毫欧的内阻，假设是6.5毫欧，通过的电流为1A(这个电流已经很大了)，在他上面的压降只有6.5毫伏。由于MOS管越来越便宜，所以人们逐渐开始使用MOS管防电源反接了。　　NMOS管防止电源反接电路：　　正确连接时：刚上电，MOS管的寄生二极管导通，所以S的电位大概就是0.6V，而G极的电位，是VBAT，VBAT-0.6V大于UGS的阀值开启电压，MOS管的DS就会导通，由于内阻很小，所以就把寄生二极管短路了，压降几乎为0。　　电源接反时：UGS=0，MOS管不会导通，和负载的回路就是断的，从而保证电路安全。　　PMOS管防止电源反接电路：　　正确连接时：刚上电，MOS管的寄生二极管导通，电源与负载形成回路，所以S极电位就是VBAT-0.6V，而G极电位是0V，PMOS管导通，从D流向S的电流把二极管短路。　　电源接反时：G极是高电平，PMOS管不导通。保护电路安全。　　连接技巧：NMOS管DS串到负极，PMOS管DS串到正极，让寄生二极管方向朝向正确连接的电流方向。　　感觉DS流向是“反”的?仔细的朋友会发现，防反接电路中，DS的电流流向，和我们平时使用的电流方向是反的。　　为什么要接成反的?利用寄生二极管的导通作用，在刚上电时，使得UGS满足阀值要求。　　为什么可以接成反的?如果是三极管，NPN的电流方向只能是C到E，PNP的电流方向只能是E到C。不过，MOS管的D和S是可以互换的。这也是三极管和MOS管的区别之一。　　06、MOS管功率损耗测量　　MOSFET/IGBT的开关损耗测试是电源调试中非常关键的环节，但很多工程师对开关损耗的测量还停留在人工计算的感性认知上，PFC MOSFET的开关损耗更是只能依据口口相传的经验反复摸索，那么该如何量化评估呢?　　功率损耗的原理图和实测图　　一般来说，开关管工作的功率损耗原理图下图所示，主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”，小部分能量体现在“导通状态”，而关闭状态的损耗很小几乎为0，可以忽略不计。　　实际的测量波形图一般下图所示。　　MOSFET和PFC MOSFET的测试区别　　对于普通MOS管来说，不同周期的电压和电流波形几乎完全相同，因此整体功率损耗只需要任意测量一个周期即可。但对于PFC MOS管来说，不同周期的电压和电流波形都不相同，因此功率损耗的准确评估依赖较长时间(一般大于10ms)，较高采样率(推荐1G采样率)的波形捕获，此时需要的存储深度推荐在10M以上，并且要求所有原始数据(不能抽样)都要参与功率损耗计算，实测截图下图所示。
2024-07-17 14:18 阅读量：430
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　　功率MOS管具有优异的热稳定性，不会发生热失控，因此 并联多个MOSFET是一种很常见的使用方法，它可以减少传导损耗和分散功耗，以便限制最大结温。　　1.功率MOS并联要点　　在高速下空中高功率下，进行并行连接时，最主要的是需要避免电流集中，以及过电流，能够确保在所有可能的负载条件下，很好地平衡、均匀所有流过器件的电流。　　2.功率MOS并联时的静态/动态动作　　静态：　　Rds(on)较低的MOS管能够导通更多的电流。　　当它升温时，Rds(on)增加，部分电流将转移到其它MOS管上，电流共享取决于每个MOS的相对的电阻值。　　注意：a.每个MOS的电流与其接通电阻的Rds(on)的倒数成正比关系;　　b.热耦合良好的平行放置MOS的结温度大致相同。　　动态：　　动态运行时，阈值电压Vgsth最低的MOS管首先打开，最后关闭。这种MOS管一般会占据更多的开关损耗，并且在开关转换过程中，承担了更高的电应力。　　3.开启、关断阈值保持一致　　由于功率MOS切换时间会有所差异，因此在通电和断电期间容易出现不平衡，而在开关时间上的变化很大程度是由门-源阈值电压Vth的值。即：Vth的值越小，通电时间越快。相反，断电期间，Vth的值越大，截止的速度就越快。　　此外，当电流集中在一个具有较小Vth的功率MOS上时，通电与断电的过程中会出现电流不平衡，这会让设备功率损耗过大，导致故障。因此，最好使用相近Vth值以及开关时间的变化，在每个MOS之间插入一个电阻，可以确保稳定运行以及防止异常振荡。　　4. 其他要点　　A.每个MOS需要栅极电阻，且阻值在几Ω到几十Ω,防止电流共享和振荡;　　B.MOS管具备良好的热耦合，确保电流和热平衡;　　C.避免在GS之间添加外部器件，可以适当调整电阻值，优化开关速度。　　问题来了，那并联多个双极晶体管和MOS管有什么主要区别吗?　　双极晶体管由于是基极电流驱动，因此电流平衡更容易被基极-发射极电压Vbe的波动所破坏，这样会导致并联连接均衡会变得困难。　　而功率MOS管，由于是电压驱动，因此只需要向并联连接的每个MOS管提供驱动电压就可以保持相当不错的均衡性，使并联更加容易，因此MOS管相比双极晶体管，在多个并联的场景中会更有优势。
2024-07-16 11:13 阅读量：414
增强型和耗尽型MOS管的区别和联系
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　　金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)是一种常见的场效应晶体管，在电子学领域中具有重要应用。增强型(Enhancement-mode)MOS管和耗尽型(Depletion-mode)MOS管是两种常见类型的MOS管。　　1. 增强型MOS管　　原理：增强型MOS管需要外加正向偏置电压才能导通。当栅极与源极之间施加正电压时，形成强电场使得沟道中出现自由载流子，从而使器件导通。　　特点　　需要外部电压控制才能导通。　　关断状态下无载流子通道。　　2. 耗尽型MOS管　　原理：耗尽型MOS管在零门源电压时处于导通状态，需要施加负向偏置电压才能够截止。沟道中存在固有载流子，故处于导通状态。　　特点　　在零门源电压时即可导通。　　需要施加逆偏电压才能够截至。　　3. 区别比较　　3.1 导通状态　　增强型MOS管：需要外部正向偏置电压才能导通。　　耗尽型MOS管：在零门源电压下即可导通。　　3.2 关断状态　　增强型MOS管：在关断状态下无载流子通道。　　耗尽型MOS管：存在固有载流子通道，不需要外部电压来维持导通状态。　　3.3 控制方式　　增强型MOS管：需要外部电压控制，控制灵活性更高。　　耗尽型MOS管：通过施加逆偏电压实现截止，控制相对简单。　　4. 优缺点比较　　增强型MOS管　　优点：控制灵活，需外部电压控制。在关断状态下无载流子通道，功耗低。　　缺点：需要额外的正向偏压，控制复杂。　　耗尽型MOS管　　优点：零门源电压时即可导通，控制简单。不需要额外的外部电压来维持导通状态。　　缺点：在关断状态下仍有载流子通道，存在静态功耗。　　5. 应用领域　　增强型MOS管：适用于需要频繁开关的功率放大器和数字逻辑电路等场景。可用于信号转换、功率调节等需要较高控制精度的应用。　　耗尽型MOS管：适用于对控制要求不齐的应用领域，如模拟电路中的放大器和传感器等。可用于需要恒定电流或电压输出的场合，例如电源管理和稳压器等。　　6. 性能对比　　增强型MOS管　　响应速度：由于需要外部正向偏压，响应速度相对较慢。　　功耗：在关断状态下无载流子通道，功耗较低。　　耗尽型MOS管　　响应速度：在零门源电压下即可导通，响应速度较快。　　功耗：在关断状态下仍有载流子通道，存在静态功耗。　　增强型和耗尽型MOS管在实际应用中常常结合使用，以满足不同的需求。例如，在数字集成电路中，增强型MOS管多用于逻辑门等控制电路中，而耗尽型MOS管则常用于模拟电路中的放大器等场合。通过合理选择和组合这两种类型的MOS管，可以实现更加灵活和高效的电路设计。　　此外，增强型MOS管和耗尽型MOS管在电源管理、信号调节、功率放大和开关控制等领域都有广泛的应用。工程师可以根据具体的应用需求和性能要求选择合适的MOS管类型，以达到最佳的性能和功耗平衡。
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