全面认识MOS管,一篇文章就够了

基础知识中 mos 部分迟迟未整理,实际分享的电路中大部分常用电路都用到了mos管,今天势必要来一篇文章,彻底掌握mos管!前言大家好,我是矜辰所致,虽然我把mos管归结为基础知识一大类,但是迟迟没有更新,正好最近博客专栏《电路小课堂》分享总结的一些电路还比较受欢迎,而其中 mos 管都是关键元器件,那么正好借此机会来好好的理一理 mos管。
既然要说,那就给他整到位了,从原理到应用一网打尽。... by 矜辰所致,全网同名,因为发现文章盗用厉害,所以加上点彩蛋保护一下,暂时就加这么句话 = =!
开局一张图(内容用心写!):
一、场效应管和mos管什么是mos管?
这种基本的名词解释还是得用官方的话语说明一下:
mos,是mosfet的缩写。mosfet 金属-氧化物半导体场效应晶体管`` ,简称金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, mosfet)。
一般是金属(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。
记住 mos管有 三个引脚名称:g:gate 栅极;s:source 源极;d:drain 漏极。
我们经常提到场效应管,mos管是什么关系呢?
mos管属于场效应管。
什么是场效应管?
场效应晶体管(field effect transistor缩写(fet))简称场效应管。它是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电,又称单极型晶体管。
场效应管属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。
场效应管主要有两种类型:
1、结型场效应管(junction fet—jfet)(不是本文讨论范围)。
2、金属 - 氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor fet,简称mos-fet)(本文的主角)。
二、mos管分类按沟道分类,场效应管分为pmos管(p沟道型)和nmos(n沟道型)管。
按材料分类,可以分为分为耗尽型和增强型:
增强型管:栅极-源极电压 vgs 为零时漏极电流也为零;
耗尽型管:栅极-源极电压 vgs 为零时漏极电流不为零。
其实归纳一下,就 4种类型的mos管:
增强型 pmos,增强型 nmos,耗尽型 pmos,耗尽型 nmos。
在实际应用中,以 增强型nmos 和 增强型pmos 为主。所以通常提到nmos和pmos指的就是这两种。
结合下图与上面的内容也能解释为什么实际应用以增强型为主,主要还是电压为0的时候,d极和s极能否导通的问题
下图列出了四种mos管的比较:
三、mos管原理本文mos管的原理说明以 增强型nmos 为例 。
了解mos管的工作原理,能够让我们能更好的运用mos管,而不是死记怎么用。
为了理解 mos管的基本原理,首先要知道更基础的 n 型半导体 和 p 型半导体 。
n 型半导体
n 型半导体也称为电子型半导体。n型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。
p型半导体
p型半导体又称空穴型半导体,是以带正电的空穴导电为主的半导体。在p型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,主要靠空穴导电。
掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高。
3.1 mos管的制造mos管是怎么制造的
以p型半导体为衬底,在一个 低掺杂容度 的 p 型半导体上,通过扩散技术做出来2块 高掺杂容度 的 n 型半导体,引出去分别作为 源级(s) 和 漏极(d) 。
p型衬底在 mos管内部是和 源级(s)相连。
在p型衬底和两个n型半导体 之间加一层 二氧化硅(sio₂)绝缘膜,然后通过多晶硅引出引脚组成 栅极(g) 。
组成结构如下图(增强型n沟道为例):
3.2 mos管命名由来我们前面说过mos管全名为:金属 (metal)—氧化物 (oxide)—半导体 (semiconductor)场效应晶体管,为什么会叫这个名字,我们通过上面的组成结构用图来说明:
3.3 mos管图标由来在前言部分我们就给出了mos管的电路图标,那么我们还是通过mos管 组成结构来说明:
3.4 mos管原理简析mos管结构原理图解:
vgs电压的强弱决定了反型层的厚薄!
而反型层的厚薄决定了mos管内阻的大小!
内阻的大小决定了d和s之间经过电流的大小!
3.5 mos管输出特性曲线对于n沟道增强型的mos管,当vgs >vgs(th)时,mos就会开始导通,如果在 d 极和 s 极之间加上一定的电压,就会有电流id产生。
在一定的vds下,d极电流 id 的大小是与 g极电压vgs有关的。
我们先来看一下mos管的输出特性曲线,mos管的输出特性可以分为三个区:夹断区(截止区)、恒流区、可变电阻区。
vgs vgs-vgs(th),mos管进入恒流区:
恒流区在输出特性曲线中间的位置,电流id基本不随vds变化,id的大小主要决定于电压vgs,所以叫做恒流区,也叫饱和区,当mos用来做放大电路时就是工作在恒流区(饱和区)。
注:mos管输出特性的恒流区(饱和区),相当于三极管的放大区。
vgs>vgs(th) ,且vds vs,vgs> vgs(th)时导通;
p沟道:导通时 vg 电流小 —> 充电时间长 —> 等效电容大)。
米勒效应会严重增加mos的开通损耗,因为它延长了mos的开通时间,同时会降低mos的开关速度。但因为mos管的制造工艺,一定会产生cgd,也就是米勒电容一定会存在,所以米勒效应不能避免,只有采用适当的方法减缓。
一般有四种方法:
①选择合适的门极驱动电阻rg
②在 g 和 s 之间增加电容
③采用负压驱动
④门极有源钳位
如果想具体了解的朋友,详细说明可单独自己搜索。
为什么常在mos管gs并联电阻?借用我实际使用的一个电路:
其中 r1,就是我们现在说的gs间的并联电阻,上文说到过,电阻的作用是用来释放寄生电容的电流。
那么原因我们来分析一下,还是要借用一下上面的图:
总结一下:
1、起到防esd静电的作用,避免处在一个高阻态。这个电阻可以把它当作是一个泄放电阻,避免mos管误动作,从而 损坏mos管的栅gs极;
2、提供固定偏置,在前级电路开路时,这个的电阻可以保证mos有效的关断(理由:g极开路,当电压加在ds端时候,会对cgd充电,导致g极电压升高,不能有效关断)
gs端电阻阻值选择:
建议是一般取5k至数10k左右,太大影响 mos 管的关断速度。 太小驱动电流会增大,驱动功率增大。但是在有些地方大一点也无所谓,比如电源防反接等不需要频繁开关的场合(上面示例图)。
为什么要在mos管g级串联电阻?还是在上面的示例图,r2,就是g级的串联电阻。这个电阻有什么作用呢?
串联电阻还是因为寄生电容!在g级 串联一个电阻,与 ciss(ciss = cgd+cgs)形成一个rc充放电电路,可以减小瞬间电流值, 不至于损毁mos管的驱动芯片。
网上还有一种说法是:抑制振荡
mos管接入电路,也会有引线产生的寄生电感的存在,与寄生电容一起,形成lc振荡电路。对于开关方波波形,是有很多频率成分存在的,那么很可能与谐振频率相同或者相近,形成串联谐振电路。
串联一个电阻,可以减小振荡电路的q值,是振荡快速衰减,不至于引起电路故障。
g级电阻阻值选择:
一般不建议太大,网上建议百欧以内,会减缓mos管的开启与通断时间,增加损耗,但是在有些地方大一点也无所谓,比如电源防反接等不需要频繁开关的场合(上面示例图)。
最后说明一下上面这两个问题,具体情况要具体分析,电阻的选择不是绝对的,比如上面示例我实际使用的电路,我 gs 的并联电阻使用了1m,g级串联的电阻使用了10k,对于我的防反接电路来说,也是正常的,大一点还能降低点电量工作时候的功耗。
虽然不能给出绝对的参考,但是我们分析了电阻大小对电路的影响,所以根据自己使用的场合才能最终确定自己合适的阻值。
六、mos管的封装不同的封装形式,mos管对应的极限电流、电压和散热效果都会不一样,这里根据博主使用过的和一些常见的做一些介绍。
1、sot-23
一般单片机方案中最常用的封装,适于几a电流、60v及以下电压环境中采用。
比如:ao3401 ,bss84
2、sot-223
也是单片机方案中最常用的封装,一般也是几a电流、60v及以下电压环境。
比如:irfl9014trpbf, zxmp6a17gta
3、to-252
是目前主流封装之一,电流可以到70a,电压100v以内(电压与电流成反比,电流越大,电压越小)。
比如:sm4286t9rl
4、to-220/220f
这两种封装样式的mos管外观差不多,可以互换使用,不过to-220背部有散热片,其散热效果比to-220f要好些,价格相对也要贵些。这两个封装产品适于中压大电流120a以下、高压大电流20a以下的场合应用。 
比如: irf4905pbf,nce6050a
另外还有一些其他的封装:to-263,to-3p/247,to-251,to-92,sop-8,就不一一介绍了。
主要在单片机系统领域,其他的封装用得不太多,博主确实也没用过。
七、mos管判别以下图封装的mos管为例说明,除了sot-23 封装,只要是这种类型3脚的封装,
那么他的g、d、s一定是按照下图所示的方向定义的(有错误请指出):
重要:如果用测量之前将mos的3个极短接,泄放mos管内部电荷,确保mos截止!!!
判别是nmos 还是 pmos 以及mos管好坏。
将万用表调至二极管档,将红表笔接在mos的s极,黑表笔接在d极,
如果这时候万用表显示0.4v~0.9v(二极管特性,不同mos管有一定差异)电压值,说明这很可能是一个 nmos;如果没有读数,说明这很可能是一个pmos,
为什么说很可能是,因为得考虑到一种情况,mos管d和s已经击穿损坏或者是寄生二极管开路损坏。
所以只需要将上面的红黑表笔返回来再测试一遍,如果情况相反,那么就能够判断是 nmos 还是pmos。
如果上面操作万用表都显示一定的电压值,代表mos管d和s已经击穿损坏。
如果上面操作万用表都显示1,代表mos管寄生二极管开路损坏。
将万用表调至蜂鸣器档或者电阻档,将红表笔接在mos的g极,黑表笔接在s极,蜂鸣器不会响,gs阻抗比较大,代表gs没有击穿损坏。
另外说明:网上确实有文章使用万用表判断一个mos管的g,s,d级,可这里我在实际工作中,确实真没有用到过,但并不表示我认为没有用。如果今后真实遇到,我会来更新此部分。
八、mos管应用前面也提到过,现在芯片内部集成的几乎都是mos管。可见mos管现在在电子产品的地位,
mos管产品可广泛的应用于电源,通讯,汽车电子,节能灯,家电等产品。
具体比如:开关电源应用,恒流源,mos管可应用于放大,阻抗变换,可变电阻等。
mos管的应用 是基于 mos管的特点优势来决定的。
我这里大话不说,针对自己的行业单领域,总结了几个比较实际的应用场合:
1、作开关管用
可参考博主电路小课堂的几篇博文:
分享一款实用的太阳能充电电路(室内光照可用)
聊聊电源自动切换电路(常用自动切换电路总结)
2、防反接用
相对于二极管来说,mos管还是有很大的优势,我下一篇电路小课堂会更新防反接电路。
电路小课堂已经更新:
结合实际聊聊防反接电路(防反接电路总结)
3、作电平转换用
电路小课堂会更新电平转换电路。
结合实际聊聊电平转换电路(常用电平转换电路总结)
4、弥勒平台用于缓启电路
请稍等……
结语当然正如本节开头所说,mos管的应用非常的广,这里的列举只是针对单片机系统领域的小型电子产品应用而言。
如果以后有机会接触到其他应用,博主回来更新说明!!!
要插一句,最近发现自己一些文章直接被搬运,我是矜辰所致,全网同名!暂时加句话把,以后得好好想想如何防止直接搬运。
最后,需要特别推荐一下 郭天祥老师的mos管系列视频,可以搜索 郭天祥-mos管在网上找到。

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