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MOS管及其擴展知識

今天簡單總結一下MOS管，金屬氧化物半導體場效應(MOS)晶體管可分為N溝道與P溝道兩大類， P溝道硅MOS場效應晶體管在N型硅襯底上有兩個P+區，分別叫做源極和漏極，兩極之間不通導，源極上加有足夠的正電壓(柵極接地)時，柵極下的N型硅表面呈現P型反型層，成為連接源極和漏極的溝道。

改變柵壓可以改變溝道中的空穴密度，從而改變溝道的電阻。這種MOS場效應晶體管稱為P溝道增強型場效應晶體管。如果N型硅襯底表面不加柵壓就已存在P型反型層溝道，加上適當的偏壓，可使溝道的電阻增大或減小。

這樣的MOS場效應晶體管稱為P溝道耗盡型場效應晶體管。統稱為PMOS晶體管。

下圖是本文知識點

場效應管分類

場效應管分為結型（JFET）和金屬-氧化物-半導體型（MOSFET）兩種類型。JFET的英文全稱是Junction Field-Effect Transistor，也分為N溝道和P溝道兩種，在實際中幾乎不用。

MOSFET英文全稱是Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，應用廣泛，MOSFET一般稱MOS管。

MOSFET有增強型和耗盡型兩大類，增強型和耗盡型每一類下面都有NMOS和PMOS。增強型MOS管的英文為Enhancement MOS或者EMOS，耗盡型MOS管的英文為Depletion MOS或者DMOS。

一般主板上使用最多的是增強型MOS管，NMOS最多，一般多用在信號控制上，其次是PMOS，多用在電源開關等方面，耗盡型幾乎不用。

N和P區分

如下紅色箭頭指向G極的為NMOS，箭頭背向G極的為PMOS。

寄生二極管

由于生產工藝，一般的MOS管會有一個寄生二極管，有的也叫體二極管。

紅色標注的為體二極管

從上圖可以看出NMOS和PMOS寄生二極管方向不一樣，NMOS是由S極→D極，PMOS是由D極→S極。

寄生二極管和普通二極管一樣，正接會導通，反接截止，對于NMOS，當S極接正，D極接負，寄生二極管會導通，反之截止；對于PMOS管，當D極接正，S極接負，寄生二極管導通，反之截止。

某些應用場合，也會選擇走體二極管，以降低DS之間的壓降（體二極管的壓降是比MOS的導通壓降大很多的），同時也要關注體二極管的過電流能力。

當滿足MOS管的導通條件時，MOS管的D極和S極會導通，這個時候體二極管是截止狀態，因為MOS管的導通內阻極小，一般mΩ級別，流過1A級別的電流，也才mV級別，所以D極和S極之間的導通壓降很小，不足以使寄生二極管導通，這點需要特別注意。

導通條件

MOS管是壓控型，導通由G和S極之間壓差決定。對NMOS來說，Vg-Vs>Vgs(th)，即G極和S極的壓差大于一定值，MOS管會導通，但是也不能大太多，否則燒壞MOS管，開啟電壓和其他參數可以看具體器件的SPEC。

對PMOS來說，Vs-Vg>Vgs(th)，即S極和G極的壓差大于一定值，MOS管會導通，同樣的，具體參數看器件的SPEC。

基本開關電路

NMOS管開關電路

當GPIO_CTRL電壓小于MOS管開啟電壓時，MOS管截止，OUT通過R1上拉到5V，OUT=5V。

當GPIO_CTRL電壓大于MOS管開啟電壓時，MOS管導通，D極電壓等于S極電壓，即OUT=0V。

PMOS管開關電路

PMOS管最常用在電源開關電路中，下圖所示，當GPIO_CRTL=0V時，S和G極壓差大于MOS管開啟電壓時，MOS管導通，5V_VOUT=5V_VIN。

與三極管的區別

三極管是電流控制，MOS管是電壓控制，主要有如下的區別：

1，只容許從信號源取少量電流的情況下，選用MOS管；在信號電壓較低，有容許從信號源取較多電流的條件下，選用三極管。

2，MOS管是單極性器件（靠一種多數載流子導電），三極管是雙極性器件（既有多數載流子，也要少數載流子導電）。

3，有些MOS管的源極和漏極可以互換運用，柵極也可正可負，靈活性比三極管好。

4，MOS管應用普遍，可以在很小電流和很低電壓下工作。

5，MOS管輸入阻抗大，低噪聲，MOS管較貴，三極管的損耗大。

6，MOS管常用來作為電源開關，以及大電流開關電路、高頻高速電路中，三極管常用來數字電路開關控制。

G和S極串聯電阻的作用

MOS管的輸入阻抗很大，容易受到外界信號的干擾，只要少量的靜電，就能使G-S極間等效電容兩端產生很高的電壓，如果不及時把靜電釋放掉，兩端的高壓容易使MOS管產生誤動作，甚至有可能擊穿G-S極，起到一個固定電平的作用。

G極串聯電阻的作用

MOS管是壓控型，有的情況下，為什么還需要在G極串聯一個電阻呢？

1，減緩Rds從無窮大到Rds(on)。

2，防止震蕩，一般單片機的I/O輸出口都會帶點雜散電感，在電壓突變的情況下，可能與柵極電容形成LC震蕩，串聯電阻可以增大阻尼減小震蕩效果。

3，減小柵極充電峰值電流。

MOS管的米勒效應

關于MOS管的米勒效應，可以閱讀該網站之前發布的關于米勒效應的文章。

選型要點

1.電壓值

關注Vds最大導通電壓和Vgs最大耐壓，實際使用中，不能超過這個值，否則MOS管會損壞。

關注導通電壓Vgs(th)，一般MOS管都是用單片機進行控制，根據單片機GPIO的電平來選擇合適導通閾值的MOS管，并且盡量留有一定的余量，以確保MOS可以正常開關。

2.電流值

關注ID電流，這個值代表了PMOS管的能流過多大電流，反應帶負載的能力，超過這個值，MOS管也會損壞。

3.功率損耗

功率損耗需要關注以下幾個參數，包括熱阻、溫度。熱阻指的是當有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值，單位是℃/W或者是K/W，熱阻的公式為ThetaJA = (Tj-Ta)/P，和功率和環境溫度都有關系。

4.導通內阻

導通內阻關注PMOS的Rds(on)參數，導通內阻越小，PMOS管的損耗越小，一般PMOS管的導通內阻都是在mΩ級別。

5.開關時間

MOS作為開關器件，就會有開關時間概念，在高速電路中，盡可能選擇輸入、輸出電容Ciss&Coss小、開關時間Ton&Toff短的MOS管，以保證數據通信正常。

6.封裝

根據PCB板的尺寸，選擇合適的PMOS管尺寸，在板載面積有限的情況下，盡可能選擇小封裝；盡量選擇常見封裝，以備后續選擇合適的替代料。

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