MOS管種類與MOS管最全知識圖文分享-KIA MOS管

MOS管的種類

MOS管種類:MOS管是FET的一種（另一種為JFET結型場效應管），主要有兩種結構形式：N溝道型和P溝道型；又根據場效應原理的不同，分為耗盡型（當柵壓為零時有較大漏極電流）和增強型（當柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流）兩種。

因此，MOS管可以被制構成P溝道增強型、P溝道耗盡型、N溝道增強型、N溝道耗盡型4種類型產品。MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、動態范圍大、功耗小、易于集成等優勢，在開關電源、鎮流器、高頻感應加熱、高頻逆變焊機、通信電源等高頻電源領域得到了越來越普遍的應用。

每一個MOS管都提供有三個電極：Gate柵極（表示為“G”）、Source源極（表示為“S”）、Drain漏極（表示為“D”）。接線時，對于N溝道的電源輸入為D，輸出為S；P溝道的電源輸入為S，輸出為D；且增強型、耗盡型的接法基本一樣。

從結構圖可發現，N溝道型場效應管的源極和漏極接在N型半導體上，而P溝道型場效應管的源極和漏極則接在P型半導體上。場效應管輸出電流由輸入的電壓（或稱場電壓）控制，其輸入的電流極小或沒有電流輸入，使得該器件有很高的輸入阻抗，這也是MOS管被稱為場效應管的重要原因。

MOS管的特性：

在MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于SiO2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個電容存在，電壓VGS產生電場從而導致源極-漏極電流的產生。此時的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。

這就可以得出如下結論：

1.MOS 管是一個由改變電壓來控制電流的器件，所以是電壓器件。

2.MOS 管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。

MOS管重要特性

1.導通特性

導通的意義是作為開關，相當于開關閉合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就會導通，適用于源極接地時的情況（低端驅動），只需柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就會導通，適用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。

2.損失特性

不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，電流就會被電阻消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。小功率MOS管導通電阻一般在幾毫歐至幾十毫歐左右，選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。

MOS管在進行導通和截止時，兩端的電壓有一個降落過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，這稱之為開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。

導通瞬間電壓和電流的乘積越大，構成的損失也就越大。縮短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。

3.寄生電容驅動特性

跟雙極性晶體管相比，MOS管需要GS電壓高于一定的值才能導通，而且還要求較快的導通速度。在MOS管的結構中可以看到，在GS、GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，理論上就是對電容的充放電。

對電容的充電需要一個電流，由于對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一個要留意的是可提供瞬間短路電流的大小；第二個要留意的是，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要柵極電壓大于源極電壓。

而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極導通電壓要比VCC高4V或10V，而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。

MOS管與三極管、IBGT的差別

三極管全稱為半導體三極管，它的主要作用就是將微小的信號中止放大。MOS管與三極管有著許多相近的地方，也有許多不同之處。

首先是開關速度的不同。三極管工作時，兩個PN結都會感應出電荷，當開關管處于導通狀態時，三極管處于飽和狀態，假設這時三極管截至，PN結感應的電荷要恢復到平衡狀態，這個過程需求時間。而MOS由于工作方式不同，不需要恢復時間，因此可以用作高速開關管。

其次是控制方式不同。MOS管是電壓控制元件，而三級管是電流控制元件。在只允許從信號源取較少電流的情況下，應選用MOS管；而在信號電壓較低，又允許從信號源取較多電流的條件下，應選用三極管。

接著是載流子種類數量不同。電力電子技術中提及的單極器件是指只靠一種載流子導電的器件，雙極器件是指靠兩種載流子導電的器件。MOS管只應用了一種多數載流子導電，所以也稱為單極型器件；而三極管是既有多數載流子，也應用少數載流子導電；是為雙極型器件。

第三是靈活性不同。有些MOS管的源極和漏極可以互換運用，柵壓也可正可負，靈活性比三極管好。

第四是集成能力不同。MOS管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多MOS管集成在一塊硅片上，因此MOS管在大范圍集成電路中得到了普遍的應用。

第五是輸入阻抗和噪聲能力不同。MOS管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優點，被普遍應用于各種電子設備中，特別用MOS管做整個電子設備的輸入級，可以獲得普通三極管很難達到的性能。

最后是功耗損耗不同。同等情況下，采用MOS管時，功耗損耗低；而選用三極管時，功耗損耗要高出許多。

當然，在使用成本上，MOS管要高于三極管，因此根據兩種元件的特性，MOS管常用于高頻高速電路、大電流場所，以及對基極或漏極控制電流比較敏感的中央區域；而三極管則用于低成本場所，達不到效果時才會考慮替換選用MOS管。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS絕緣柵型場效應管組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和功率晶體管（GTR）的低導通壓降兩方面的優點。

GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。

常見的IGBT又分為單管和模塊兩種，單管的外觀和MOS管有點相像，常見生產廠家有富士電機、仙童半導體等，模塊產品一般為內部封裝了數個單個IGBT，由內部聯接成適合的電路。

由于IGBT原理為先開通MOS管，再驅動三極管開通，該原理決定了IGBT的開關速度比MOS管慢，但比三極管快。制造成本上，IGBT要比MOS管高很多，這是因為IGBT的制作多了薄片背面離子注入、薄片低溫退火（如激光退火）工序，而這兩個工序都需要專門針對薄片工藝的昂貴機臺。

在低壓下，低壓MOS管的導通壓降通常都控制在0.5V以下（基本不會超過1V的），比如IR4110低壓MOS管，其內阻為4mΩ，給它100A的導通電流，導通壓降是0.4V左右。

電流導通壓降低，意味著導通損耗小，同時兼具開關損耗小的特性，因此，IGBT相對MOS管在電性能沒有優勢，加上在性價比上MOS管更具優勢，所以基本上看不到低壓IGBT。

MOS管的最大劣勢是隨著耐壓升高，內阻迅速增大，所以高壓下內阻很大，致使MOS管不能做大功率應用。

在高壓領域，MOS管的開關速度仍是最快的，但高壓下MOS管的導通壓降很大（內阻隨耐壓升高而迅速升高），即便是耐壓600V的COOLMOS管，導通電阻可高達幾歐姆，致使耐流很小。

而IGBT在高耐壓下，導通壓降幾乎沒明顯增大（IGBT的導通電流通過三極管處理），所以高壓下IGBT優勢明顯，既有高開關速度，又有三極管的大電流特性；另外，在新一代IGBT產品中，開關速度高（納秒級），導通壓降、開關損耗等也有了長足進步，使得IGBT耐脈沖電流沖擊力更強，且耐壓高、驅動功率小等優點更加突出。

在需要耐壓超過150V的使用條件下，MOS管已經基本沒有優勢。以典型的IRFS4115與第四代IGBT型SKW30N60對比中，在150V、20A連續工況下運行，前者開關損耗為6mJ/pulse，而后者只有1.15mJ/pulse，不足前者的1/5；若用極限工作條件，二者功率負荷相差將更懸殊。

目前，諸如冶金、鋼鐵、高速鐵路、船舶等有大功率需求的領域已較少見到MOS管，而是廣泛應用IGBT元器件。

總的來說，IGBT更適用于高壓、大電流、低頻率（20KHZ左右）場所，電壓越高，IGBT越有優勢，在600v以上，IGBT的優勢非常明顯；而MOSFET更適用于低電壓、小電流、低頻率（幾十KHz~幾MHz）領域，電壓越低，MOS管越有優勢。

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