MOS管基础及选型指南
mos管，即金属（metal）—氧化物（oxide）—半导体（semiconductor）场效应晶体管，是一种应用场效应原理工作的半导体器件。 和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、功耗小、易于集成等优势，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得到了越来越普遍的应用。
▉ 场效应管分类
场效应管分为结型（jfet）和金属-氧化物-半导体型（mosfet）两种类型。
jfet的英文全称是junction field-effect transistor，也分为n沟道和p沟道两种，在实际中几乎不用。
mosfet英文全称是metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，应用广泛，mosfet一般称mos管。
mos管是fet的一种（另一种为jfet结型场效应管），主要有两种结构形式：n沟道型和p沟道型。
根据场效应原理的不同，分为耗尽型（当栅压为零时有较大漏极电流）和增强型（当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流）两种。
因此，mos管可以被制构成p沟道增强型、p沟道耗尽型、n沟道增强型、n沟道耗尽型4种类型产品。 一般主板上使用最多的是增强型mos管，nmos最多，一般多用在信号控制上，其次是pmos，多用在电源开关等方面，耗尽型几乎不用。
▉ n和p区分
每一个mos管都提供有三个电极：gate栅极（表示为“g”）、source源极（表示为“s”）、drain漏极（表示为“d”）。接线时，对于n沟道的电源输入为d，输出为s；p沟道的电源输入为s，输出为d；且增强型、耗尽型的接法基本一样。
红色箭头指向g极的为nmos，箭头背向g极的为pmos
▉ 寄生二极管
由于生产工艺，一般的mos管会有一个寄生二极管，有的也叫体二极管。
红色标注的为体二极管
从上图可以看出nmos和pmos寄生二极管方向不一样，nmos是由s极→d极，pmos是由d极→s极。
寄生二极管和普通二极管一样，正接会导通，反接截止，对于nmos，当s极接正，d极接负，寄生二极管会导通，反之截止；对于pmos管，当d极接正，s极接负，寄生二极管导通，反之截止。
某些应用场合，也会选择走体二极管，以降低ds之间的压降（体二极管的压降是比mos的导通压降大很多的），同时也要关注体二极管的过电流能力。
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管的导通内阻极小，一般mω级别，流过1a级别的电流，也才mv级别，所以d极和s极之间的导通压降很小，不足以使寄生二极管导通，这点需要特别注意。 ▉ mos管工作原理（以n沟道增强型为例）
n沟道增强型mos管在p型半导体上生成一层sio2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的n型区，从n型区引出电极（漏极d、源极s）；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。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以nmos又被称为绝缘栅型场效应管。
当栅极g和源极s之间不加任何电压，即vgs=0时，由于漏极和源极两个n+型区之间隔有p型衬底，相当于两个背靠背连接的pn结，它们之间的电阻高达1012ω，即d、s之间不具备导电的沟道，所以无论在漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流id。
n沟道增强型mos管结构示意图
当将衬底b与源极s短接，在栅极g和源极s之间加正电压，即vgs＞0时，如上图所示，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，p衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层。
如果进一步提高vgs电压，使vgs达到某一电压vt时，p衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的n型层，称为“反型层”，如下图所示。
反型层将漏极d和源极s两个n+型区相连通，构成了漏、源极之间的n型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的vgs值称为阈值电压或开启电压，用vgs（th）表示。显然，只有vgs＞vgs（th）时才有沟道，而且vgs越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电能力越强；“增强型”一词也由此得来。
耗尽层与反型层产生的结构示意图
在vgs＞vgs（th）的条件下，如果在漏极d和源极s之间加上正电压vds，导电沟道就会有电流流通。漏极电流由漏区流向源区，因为沟道有一定的电阻，所以沿着沟道产生电压降，使沟道各点的电位沿沟道由漏区到源区逐渐减小，靠近漏区一端的电压vgd最小，其值为vgd=vgs－vds，相应的沟道最薄；靠近源区一端的电压最大，等于vgs，相应的沟道最厚。
这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。随着vds的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。
当vds增大到某一临界值，使vgd≤vgs（th）时，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”，如下图（a）所示。继续增大vds［即vds＞vgs－vgs（th）］，夹断点向源极方向移动，如下图（b）所示。
尽管夹断点在移动，但沟道区（源极s到夹断点）的电压降保持不变，仍等于vgs－vgs（th）。因此，vds多余部分电压［vds－（vgs－vgs（th））］全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极。
预夹断及夹断区形成示意图
▉ 导通条件
mos管是压控型，导通由g和s极之间压差决定。 对nmos来说，vg-vs》vgs（th），即g极和s极的压差大于一定值，mos管会导通，但是也不能大太多，否则烧坏mos管，开启电压和其他参数可以看具体器件的spec。
对pmos来说，vs-vg》vgs（th），即s极和g极的压差大于一定值，mos管会导通，同样的，具体参数看器件的spec。
▉ 与三极管的区别
三极管是电流控制，mos管是电压控制，主要有如下的区别：
1、只容许从信号源取少量电流的情况下，选用mos管；在信号电压较低，有容许从信号源取较多电流的条件下，选用三极管。
2、mos管是单极性器件（靠一种多数载流子导电），三极管是双极性器件（既有多数载流子，也要少数载流子导电）。
3、有些mos管的源极和漏极可以互换运用，栅极也可正可负，灵活性比三极管好。
4、mos管应用普遍，可以在很小电流和很低电压下工作。
5、mos管输入阻抗大，低噪声，mos管较贵，三极管的损耗大。
6、mos管常用来作为电源开关，以及大电流开关电路、高频高速电路中，三极管常用来数字电路开关控制。
▉ g和s极串联电阻的作用
mos管的输入阻抗很大，容易受到外界信号的干扰，只要少量的静电，就能使g-s极间等效电容两端产生很高的电压，如果不及时把静电释放掉，两端的高压容易使mos管产生误动作，甚至有可能击穿g-s极，起到一个固定电平的作用。
▉ g极串联电阻的作用
mos管是压控型，有的情况下，为什么还需要在g极串联一个电阻呢？
1、减缓rds从无穷大到rds（on）。
2、防止震荡，一般单片机的i/o输出口都会带点杂散电感，在电压突变的情况下，可能与栅极电容形成lc震荡，串联电阻可以增大阻尼减小震荡效果。
3、减小栅极充电峰值电流。 ▉ 选型要点
1、电压值
关注vds最大导通电压和vgs最大耐压，实际使用中，不能超过这个值，否则mos管会损坏。
关注导通电压vgs（th），一般mos管都是用单片机进行控制，根据单片机gpio的电平来选择合适导通阈值的mos管，并且尽量留有一定的余量，以确保mos可以正常开关。
2、电流值
关注id电流，这个值代表了nmos管的能流过多大电流，反应带负载的能力，超过这个值，mos管也会损坏。
3、功率损耗
功率损耗需要关注以下几个参数，包括热阻、温度。热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，单位是℃/w或者是k/w，热阻的公式为thetaja = （tj-ta）/p，和功率和环境温度都有关系。
4、导通内阻
导通内阻关注nmos的rds（on）参数，导通内阻越小，nmos管的损耗越小，一般nmos管的导通内阻都是在mω级别。
5、开关时间
mos作为开关器件，就会有开关时间概念，在高速电路中，尽可能选择输入、输出电容ciss&coss小、开关时间ton&toff短的mos管，以保证数据通信正常。
6、封装
根据pcb板的尺寸，选择合适的nmos管尺寸，在板载面积有限的情况下，尽可能选择小封装；尽量选择常见封装，以备后续选择合适的替代料。
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mos管是fet的一种（另一种为jfet结型场效应管），主要有两种结构形式：n沟道型和p沟道型。
根据场效应原理的不同，分为耗尽型（当栅压为零时有较大漏极电流）和增强型（当栅压为零，漏极电流也为零，必须再加一定的栅压之后才有漏极电流）两种。
因此，mos管可以被制构成p沟道增强型、p沟道耗尽型、n沟道增强型、n沟道耗尽型4种类型产品。 一般主板上使用最多的是增强型mos管，nmos最多，一般多用在信号控制上，其次是pmos，多用在电源开关等方面，耗尽型几乎不用。
▉ n和p区分
每一个mos管都提供有三个电极：gate栅极（表示为“g”）、source源极（表示为“s”）、drain漏极（表示为“d”）。接线时，对于n沟道的电源输入为d，输出为s；p沟道的电源输入为s，输出为d；且增强型、耗尽型的接法基本一样。
红色箭头指向g极的为nmos，箭头背向g极的为pmos
▉ 寄生二极管
由于生产工艺，一般的mos管会有一个寄生二极管，有的也叫体二极管。
红色标注的为体二极管
从上图可以看出nmos和pmos寄生二极管方向不一样，nmos是由s极→d极，pmos是由d极→s极。
寄生二极管和普通二极管一样，正接会导通，反接截止，对于nmos，当s极接正，d极接负，寄生二极管会导通，反之截止；对于pmos管，当d极接正，s极接负，寄生二极管导通，反之截止。
某些应用场合，也会选择走体二极管，以降低ds之间的压降（体二极管的压降是比mos的导通压降大很多的），同时也要关注体二极管的过电流能力。
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管的导通内阻极小，一般mω级别，流过1a级别的电流，也才mv级别，所以d极和s极之间的导通压降很小，不足以使寄生二极管导通，这点需要特别注意。 ▉ mos管工作原理（以n沟道增强型为例）
n沟道增强型mos管在p型半导体上生成一层sio2薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的n型区，从n型区引出电极（漏极d、源极s）；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。由于栅极与其它电极之间是相互绝缘的，所以nmos又被称为绝缘栅型场效应管。
当栅极g和源极s之间不加任何电压，即vgs=0时，由于漏极和源极两个n+型区之间隔有p型衬底，相当于两个背靠背连接的pn结，它们之间的电阻高达1012ω，即d、s之间不具备导电的沟道，所以无论在漏、源极之间加何种极性的电压，都不会产生漏极电流id。
n沟道增强型mos管结构示意图
当将衬底b与源极s短接，在栅极g和源极s之间加正电压，即vgs＞0时，如上图所示，则在栅极与衬底之间产生一个由栅极指向衬底的电场。在这个电场的作用下，p衬底表面附近的空穴受到排斥将向下方运动，电子受电场的吸引向衬底表面运动，与衬底表面的空穴复合，形成了一层耗尽层。
如果进一步提高vgs电压，使vgs达到某一电压vt时，p衬底表面层中空穴全部被排斥和耗尽，而自由电子大量地被吸引到表面层，由量变到质变，使表面层变成了自由电子为多子的n型层，称为“反型层”，如下图所示。
反型层将漏极d和源极s两个n+型区相连通，构成了漏、源极之间的n型导电沟道。把开始形成导电沟道所需的vgs值称为阈值电压或开启电压，用vgs（th）表示。显然，只有vgs＞vgs（th）时才有沟道，而且vgs越大，沟道越厚，沟道的导通电阻越小，导电能力越强；“增强型”一词也由此得来。
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这样就使得沟道厚度不再是均匀的，整个沟道呈倾斜状。随着vds的增大，靠近漏区一端的沟道越来越薄。
当vds增大到某一临界值，使vgd≤vgs（th）时，漏端的沟道消失，只剩下耗尽层，把这种情况称为沟道“预夹断”，如下图（a）所示。继续增大vds［即vds＞vgs－vgs（th）］，夹断点向源极方向移动，如下图（b）所示。
尽管夹断点在移动，但沟道区（源极s到夹断点）的电压降保持不变，仍等于vgs－vgs（th）。因此，vds多余部分电压［vds－（vgs－vgs（th））］全部降到夹断区上，在夹断区内形成较强的电场。这时电子沿沟道从源极流向夹断区，当电子到达夹断区边缘时，受夹断区强电场的作用，会很快的漂移到漏极。
预夹断及夹断区形成示意图
▉ 导通条件
mos管是压控型，导通由g和s极之间压差决定。 对nmos来说，vg-vs》vgs（th），即g极和s极的压差大于一定值，mos管会导通，但是也不能大太多，否则烧坏mos管，开启电压和其他参数可以看具体器件的spec。
对pmos来说，vs-vg》vgs（th），即s极和g极的压差大于一定值，mos管会导通，同样的，具体参数看器件的spec。
▉ 与三极管的区别
三极管是电流控制，mos管是电压控制，主要有如下的区别：
1、只容许从信号源取少量电流的情况下，选用mos管；在信号电压较低，有容许从信号源取较多电流的条件下，选用三极管。
2、mos管是单极性器件（靠一种多数载流子导电），三极管是双极性器件（既有多数载流子，也要少数载流子导电）。
3、有些mos管的源极和漏极可以互换运用，栅极也可正可负，灵活性比三极管好。
4、mos管应用普遍，可以在很小电流和很低电压下工作。
5、mos管输入阻抗大，低噪声，mos管较贵，三极管的损耗大。
6、mos管常用来作为电源开关，以及大电流开关电路、高频高速电路中，三极管常用来数字电路开关控制。
▉ g和s极串联电阻的作用
mos管的输入阻抗很大，容易受到外界信号的干扰，只要少量的静电，就能使g-s极间等效电容两端产生很高的电压，如果不及时把静电释放掉，两端的高压容易使mos管产生误动作，甚至有可能击穿g-s极，起到一个固定电平的作用。
▉ g极串联电阻的作用
mos管是压控型，有的情况下，为什么还需要在g极串联一个电阻呢？
1、减缓rds从无穷大到rds（on）。
2、防止震荡，一般单片机的i/o输出口都会带点杂散电感，在电压突变的情况下，可能与栅极电容形成lc震荡，串联电阻可以增大阻尼减小震荡效果。
3、减小栅极充电峰值电流。 ▉ 选型要点
1、电压值
关注vds最大导通电压和vgs最大耐压，实际使用中，不能超过这个值，否则mos管会损坏。
关注导通电压vgs（th），一般mos管都是用单片机进行控制，根据单片机gpio的电平来选择合适导通阈值的mos管，并且尽量留有一定的余量，以确保mos可以正常开关。
2、电流值
关注id电流，这个值代表了nmos管的能流过多大电流，反应带负载的能力，超过这个值，mos管也会损坏。
3、功率损耗
功率损耗需要关注以下几个参数，包括热阻、温度。热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值，单位是℃/w或者是k/w，热阻的公式为thetaja = （tj-ta）/p，和功率和环境温度都有关系。
4、导通内阻
导通内阻关注nmos的rds（on）参数，导通内阻越小，nmos管的损耗越小，一般nmos管的导通内阻都是在mω级别。
5、开关时间
mos作为开关器件，就会有开关时间概念，在高速电路中，尽可能选择输入、输出电容ciss&coss小、开关时间ton&toff短的mos管，以保证数据通信正常。
6、封装
根据pcb板的尺寸，选择合适的nmos管尺寸，在板载面积有限的情况下，尽可能选择小封装；尽量选择常见封装，以备后续选择合适的替代料。
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