MOS管的工作原理以及设计理念

一、MOS管工作原理
        1、大种类以及结构形式
        MOS管总体上分为N型MOS管（N沟道场效应管）和P型MOS管（P沟道场效应管）。它们都是有三个管脚，作用都是开关作用，控制原理都是应用电容的特性，区别之处在于N和P型的电流方向相反。
        如图下是MOS的结构图，栅极代号是“G”，作用是控制脚，它在结构上表现在电容的一极，氧化物对应电容的介质，在NMOS半导体P结相当于电容的另一极，在PMOS半导体N结相当于电容的另一极（N结P结就是二极管的PN结，N结中有大量活跃电子的存在，P结中有大量正电荷的存在）。漏极N结的代号是“D”在NMOS中是电流的输入源在PMOS中是电流的输出。源极代号“S”在NMOS中是电流的输出源，在PMOS中是电流的输入。

        

总结一下以上所说，N结中含有大量活跃电子，P结中含有大量正电荷；金属-栅极“G”、氧化物、半导体“P”“N”结，组成一个电容。
        2、NMOS的通断控制
        MOS的控制过程就是对栅极“G”电压的控制过程。
        2.1当栅极“G”的电势等于或低于源极“S”的时候，由于电容特性半导体P结会在两个N极之间存在大量正电荷，相当于两个PN结“二极管”背靠背连接在一起，NMOS处于关断状态。

        

        2.2当栅极“G”的电压稍微大于源极“S”的电压值又是不太大，两个“N结”之间被栅极金属吸引来的电子量很少，不足以连接上两个“N结”，此时的MOS还是处于关断状态。

 

        2.3当栅极“G”的电压大于源极“S”某个值后，两个“N结”之间被栅极金属吸引来的电子量刚好使得两个“N结”之间形成了薄弱的电子桥。这样就可以不完全导通了，就是允许通过的电子量有限，相当于MOS管有个比较大的电阻，救过电流时MOS就会发热，这个状态是MOS最危险的状态。

 

        2.4当栅极“G”的电压足够大于源极“S”后，两个“N结”之间被栅极金属吸引来的电子量充足使得两个“N结”之间形成了强大的电子桥。这时MOS完全导通，其发热量和压降仅仅与MOS自身的内阻R有关，这个内阻值R特别小一般处于毫欧级别，这与制造工艺相关。

        2.5当栅极“G”的电压过于大于或小于源极“S”后，这个电容会被击穿，也就是中间的氧化物损坏，此时MOS报废。
        2.6当源极“D”与漏极“S”的电压过高时，会击穿半导体“P”结，MOS损坏。
        3、PMOS的通断控制
        MOS的控制过程就是对栅极“G”电压的控制过程。
        3.1当栅极“G”的电势等于或大于源极“S”的时候VGS >= 0，由于电容特性半导体N结会在两个P极之间存在大量电子，相当于两个PN结“二极管”背靠背连接在一起，PMOS处于关断状态。

 

        3.2当栅极“G”的电压稍微小于源极“S”的电压值又是不太大VGS>=-VGSmin，两个“P结”之间被栅极金属吸引来的电荷量很少，不足以连接上两个“P结”，此时的MOS还是处于关断状态。
形式和NMOS类似。
        3.3当栅极“G”的电压小于源极“S”某个值后-VGSmin>VGS>-VGSmax，两个“P结”之间被栅极金属吸引来的电荷量刚好使得两个“P结”之间形成了薄弱的电荷桥。这样就可以不完全导通了，就是允许通过的电荷量有限，相当于MOS管有个比较大的电阻，救过电流时MOS就会发热，这个状态是MOS最危险的状态。
形式同NMOS。
        3.4当栅极“G”的电压足够小于源极“S”后VGS<=-VGSmax，两个“P结”之间被栅极金属吸引来的电荷量充足使得两个“P结”之间形成了可靠的电荷桥。这时MOS完全导通，其发热量和压降仅仅与MOS自身的内阻R有关，这个内阻值R特别小一般处于毫欧级别，这与制造工艺相关。

 

        3.5当栅极“G”的电压过于大于或小于源极“S”后，这个电容会被击穿，也就是中间的氧化物损坏，此时MOS报废。
        3.6当源极“D”与漏极“S”的电压过高时，会击穿半导体“P”结，MOS损坏。
一般市场上我们能买到的MOS都会有一个二极管，保护MOS，防止源极“D”与漏极“S”被反向电压损坏。如下图

二、MOS管参数意义
        VDS ： MOS的最大耐压值，NMOS为正，PMOS为负，绝对值越大越好
        VGS ： MOS-G、S之间的击穿电压范围，这个值确定了控制MOS的最大电压绝对值
        VGS(th)：开始导通和完全导通的控制电压，VGSmin，VGSmax两个值，MOS的控制导通电压绝对值要大于VGSmax，MOS的控制关断电压绝对值要小于VGSmin，VGSmin与VGSmax之间的差值越小越好，VGSmin越大越好，VGSmax越小越好
        ID ： 供电电流最大值，越大越好
        RDS(on): MOS导通后的内阻-完全导通后的热量产生来源，越小越好
        TSTG : 工作温度范围
        CISS ： 栅极“G”和漏极“S”之间的寄生电容，越小越好
        IGSS ： 寄生电容漏电电流，越小越好
        PD ： 最大允许发热功率，越大越好
        Turn-ON Time: 上升沿时间 越小越好
        Turn-OFF Time: 下降沿时间，越小越好
三、MOS应用设计
        1、最为典型代表是电机的驱动-大功率高频MOS选型
        一般MOS使用首选NMOS（NMOS是正电压），MOS参数对外选型首先要满足电压需求VDS、电流需求ID。
        由于频率的关系计算MOS满负荷最大允许频率，先算一个周期开关损耗，Pw=(Turn-ON Time + Turn-OFF Time)/2*VDS*ID，再算最小允许周期Tmin=(PD-ID*ID*RDS)/Pw，最后得出最大允许满负荷频率Fmax=1/Tmin。
        如果不是满负荷，把电压VDS、电流ID替换一下，但是最小周期时间必须大于上升沿和下降沿时间之和。
        2、驱动大功率高频MOS，需要给MOS的栅极“G”快速开断
        栅极“G”和漏极“S”之间有寄生电容CISS，会阻碍VGS的电平变化，一个周期内允许的电平变化时间，可以通过1中的公式，在已知最大频率和最高功率的情况下反推一个周期内最大允许的电平变化时长。
        VGS(th)的最小电压一定要小于VGSmin，且大于-VGS
        VGS(th)的最大电压一定要大于VGSmax，且小于VGS
        对于驱动大功率高频MOS的电路来说，大功率高频MOS就等效一个电容
        R值最小值取决于PMOS和NMOS的串联最大驱动电流Imax，Rmin = (VGS(th)max-VGS(th)min)/Imax,然后R和CISS形成RC电路，上升沿时间ton=-R*C*ln(1-(VGSmax-VGSmin)/VGS(th)max),已知确定上升沿时间可以确定电阻R的最大值。
        PMOS_VGSmin是PMOS的VGSmin，>的意思是比这个值大，<的意思比这个值小
R1的取值，PMOS和NMOS的寄生电容之和作为电容C的取值，时间计算公式，t=-RC*ln(1-ui/u0), ui为>VGS(th)max减去PMOS的VGSmin，u0为>VGS(th)max+>PMOS_VGSmin的值，t是允许的最大上升沿时间。如下图