基礎(chǔ)知識中 MOS 部分遲遲未整理，實際分享的電路中大部分常用電路都用到了MOS管， 今天勢必要來一篇文章，徹底掌握mos管！

                                                   

前言

雖然我把MOS管歸結(jié)為基礎(chǔ)知識一大類，但是遲遲沒有更新，正好最近博客專欄《電路小課堂》分享總結(jié)的一些電路還比較受歡迎，而其中 MOS 管都是關(guān)鍵元器件，那么正好借此機會來好好的理一理 MOS管。

既然要說，那就給他整到位了，從原理到應(yīng)用一網(wǎng)打盡。

開局一張圖（內(nèi)容用心寫！）：

 

一、場效應(yīng)管和MOS管

什么是MOS管？

這種基本的名詞解釋還是得用官方的話語說明一下：

MOS，是MOSFET的縮寫。MOSFET 金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，簡稱金氧半場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。 一般是金屬(metal)—氧化物(oxide)—半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)—半導(dǎo)體。

記住 MOS管有 三個引腳名稱：G：gate 柵極；S：source 源極；D：drain 漏極。

我們經(jīng)常提到場效應(yīng)管，MOS管是什么關(guān)系呢？

MOS管屬于場效應(yīng)管。

什么是場效應(yīng)管？

場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應(yīng)管。它是利用控制輸入回路的電場效應(yīng)來控制輸出回路電流的一種半導(dǎo)體器件。由于它僅靠半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子導(dǎo)電，又稱單極型晶體管。

場效應(yīng)管屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點。

場效應(yīng)管主要有兩種類型：

1、結(jié)型場效應(yīng)管（junction FET—JFET)（不是本文討論范圍）。

2、金屬 - 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（metal-oxide semiconductor FET，簡稱MOS-FET）（本文的主角）。

二、MOS管分類

按溝道分類，場效應(yīng)管分為PMOS管（P溝道型）和NMOS（N溝道型）管。

按材料分類，可以分為分為耗盡型和增強型：

增強型管：柵極-源極電壓 Vgs 為零時漏極電流也為零； 耗盡型管：柵極-源極電壓 Vgs 為零時漏極電流不為零。

其實歸納一下，就 4種類型的MOS管：

增強型 PMOS，增強型 NMOS，耗盡型 PMOS，耗盡型 NMOS。

在實際應(yīng)用中，以 增強型NMOS 和 增強型PMOS 為主。所以通常提到NMOS和PMOS指的就是這兩種。 結(jié)合下圖與上面的內(nèi)容也能解釋為什么實際應(yīng)用以增強型為主，主要還是電壓為0的時候，D極和S極能否導(dǎo)通的問題

下圖列出了四種MOS管的比較：

 

三、MOS管原理

本文MOS管的原理說明以 增強型NMOS 為例。

了解MOS管的工作原理，能夠讓我們能更好的運用MOS管，而不是死記怎么用。

為了理解 MOS管的基本原理，首先要知道更基礎(chǔ)的 N 型半導(dǎo)體 和 P 型半導(dǎo)體。

N 型半導(dǎo)體

N 型半導(dǎo)體也稱為電子型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體即自由電子濃度遠大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。

 

P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體又稱空穴型半導(dǎo)體，是以帶正電的空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體。在P型半導(dǎo)體中，空穴為多子，自由電子為少子，主要靠空穴導(dǎo)電。 摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高。

3.1 MOS管的制造

MOS管是怎么制造的

以P型半導(dǎo)體為襯底，在一個 低摻雜容度 的 P 型半導(dǎo)體上，通過擴散技術(shù)做出來2塊 高摻雜容度 的 N 型半導(dǎo)體，引出去分別作為 源級（S） 和 漏極（D）。 P型襯底在 MOS管內(nèi)部是和 源級（S）相連。 在P型襯底和兩個N型半導(dǎo)體 之間加一層 二氧化硅（SiO₂）絕緣膜，然后通過多晶硅引出引腳組成柵極（G）。

組成結(jié)構(gòu)如下圖（增強型N溝道為例）：

 

3.2 MOS管命名由來

我們前面說過MOS管全名為：金屬 (Metal)—氧化物 (Oxide)—半導(dǎo)體 (Semiconductor)場效應(yīng)晶體管，為什么會叫這個名字，我們通過上面的組成結(jié)構(gòu)用圖來說明：

 

3.3 MOS管圖標由來

在前言部分我們就給出了MOS管的電路圖標，那么我們還是通過MOS管 組成結(jié)構(gòu)來說明：

 

3.4 MOS管原理簡析

MOS管結(jié)構(gòu)原理圖解：

 

Vgs電壓的強弱決定了反型層的厚薄！

而反型層的厚薄決定了MOS管內(nèi)阻的大小！

內(nèi)阻的大小決定了D和S之間經(jīng)過電流的大小！

3.5 MOS管輸出特性曲線

對于N溝道增強型的MOS管，當Vgs >Vgs(th)時，MOS就會開始導(dǎo)通，如果在 D 極和 S 極之間加上一定的電壓,就會有電流Id產(chǎn)生。 在一定的Vds下，D極電流 Id 的大小是與 G極電壓Vgs有關(guān)的。 我們先來看一下MOS管的輸出特性曲線，MOS管的輸出特性可以分為三個區(qū)：夾斷區(qū)(截止區(qū))、恒流區(qū)、可變電阻區(qū)。

 

VGS < VGS(th)時，MOS管處于夾斷區(qū)(截止區(qū))：

夾斷區(qū)在輸出特性最下面靠近橫坐標的部分，表示MOS管不能導(dǎo)電，處在截止狀態(tài)。電流ID為0，管子不工作。

VGS≥VGS(th)，且VDS>VGS-VGS(th)，MOS管進入恒流區(qū)：

恒流區(qū)在輸出特性曲線中間的位置，電流ID基本不隨VDS變化，ID的大小主要決定于電壓VGS，所以叫做恒流區(qū)，也叫飽和區(qū)，當MOS用來做放大電路時就是工作在恒流區(qū)（飽和區(qū)）。 注：MOS管輸出特性的恒流區(qū)（飽和區(qū)），相當于三極管的放大區(qū)。

VGS>VGS(th) ，且VDS < VGS - VGS(th),MOS管進入可變電阻區(qū)：

可變電阻區(qū)在輸出特性的最左邊，Id隨著Vds的增加而上升，兩者基本上是線性關(guān)系，所以可以看作是一個線性電阻，當VGS不同電阻的阻值就會不同，所以在該區(qū)MOS管相當就是一個由VGS控制的可變電阻。

擊穿區(qū):

隨著VDS增大，PN結(jié)承受太大的反向電壓而被擊穿。

3.6 MOS管轉(zhuǎn)移特性曲線

根據(jù)MOS管的輸出特性曲線，可取得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線。

 

反應(yīng)了 MOS管的特性，通過 Vgs的電壓來控制 ID(導(dǎo)通電流)， 壓控流型器件！

為什么介紹MOS管的文章都以NMOS舉例？

說白了就是NMOS相對 PMOS 來說：簡單點。

這個簡單點，包括生產(chǎn)難度，實現(xiàn)成本，實現(xiàn)方式等等。對于人類發(fā)展而言，肯定是從某個事物簡單的的部分開始深入研究發(fā)展，教學(xué)也是相同的道理，從某個簡單部分開始更能夠讓人入門了解一個事物，然后再步步深入。

究其根本原因，簡單概括如下：

我們通過原理分析可以得知，NMOS 是電子的移動，PMOS那就是空穴的移動，空穴的遷移率比電子低，尺寸與電壓相等的條件下，PMOS的跨導(dǎo)小于 NMOS，形成空穴溝道比電子溝道更難。

PMOS的閾值電壓教NMOS高，因此需要更高的驅(qū)動電壓，充放電時間長，開關(guān)速度更低。

PMOS的導(dǎo)通電阻大，發(fā)熱大，相對NMOS來說不易通過大電流。

所以導(dǎo)致現(xiàn)在的格局：NMOS價格便宜，廠商多，型號多。PMOS價格貴，廠商少，型號少。（相對而言，其實MOS管發(fā)展到現(xiàn)在，普通的應(yīng)用 PMOS 和 NMOS 都有大量可方便選擇的型號）

四、MOS管特點

1、輸入阻抗非常高，因為MOS管柵極有絕緣膜氧化物，甚至可達上億歐姆，所以他的輸入幾乎不取電流，可以用作電子開關(guān)。

2、導(dǎo)通電阻低，可以做到幾個毫歐的電阻，極低的傳導(dǎo)損耗，。

3、開關(guān)速度快，開關(guān)損耗低，特別適應(yīng)PWM輸出模式。

4、在電路設(shè)計上的靈活性大，柵偏壓可正可負可零，三極管只能在正向偏置下工作，電子管只能在負偏壓下工作；

4、低功耗、性能穩(wěn)定、抗輻射能力強，制造成本低廉與使用面積較小、高整合度。

5、極強的大電流處理能力，可以方便地用作恒流源。

所以現(xiàn)在芯片內(nèi)部集成的幾乎都是MOS管。

6、MOS管柵極很容易被靜電擊穿，柵極輸入阻抗大，感應(yīng)電荷很難釋放，高壓很容易擊穿絕緣層，造成損壞。

前面的幾點也可以說是MOS管的優(yōu)點。最后一點容易擊穿也是相對來說的，現(xiàn)在的mos管沒有那么容易被擊穿，不少都有二極管保護，在大多數(shù)CMOS器件內(nèi)部已經(jīng)增加了IO口保護。

用手直接接觸CMOS器件管腳不是好習(xí)慣。

曾經(jīng)使用使用過一個運放：TI 的 TLV70433，CMOS器件，因為焊接沒注意防護靜電，那結(jié)局真的是一言難盡。

五、MOS管參數(shù)

MOS管的參數(shù)在每一個MOS管的手冊上面都有說明，比如：

 

這里推薦一篇博文，文內(nèi)對每個參數(shù)有詳細的解釋：

MOS管參數(shù)詳解

對于實際項目應(yīng)用，主要關(guān)注下面幾個參數(shù)，其他參數(shù)可以自己根據(jù)需求你查看手冊。

1、VGS(th)(開啟電壓)

當外加?xùn)艠O控制電壓 VGS 超過 VGS(th) 時，漏區(qū)和源區(qū)的表面反型層形成了連接的溝道。

應(yīng)用中，常將漏極短接條件下 ID 等于 1 毫安時的柵極電壓稱為開啟電壓。此參數(shù)一般會隨結(jié)溫度的上升而有所降低。

MOS管的導(dǎo)通條件

MOS管的開關(guān)條件：

N溝道：導(dǎo)通時 Vg> Vs,Vgs> Vgs(th)時導(dǎo)通；

P溝道：導(dǎo)通時 Vg< Vs,Vgs< Vgs(th)時導(dǎo)通。

MOS管導(dǎo)通條件：|Vgs| > |Vgs(th)|

2、VGS(最大柵源電壓)

柵極能夠承受的最大電壓，柵極是MOS管最薄弱的地方，設(shè)計的時候得注意一下，加載柵極的電壓不能超過這個最大電壓。

3、RDS(on)(漏源電阻)

導(dǎo)通時漏源間的最大阻抗，它決定了MOSFET導(dǎo)通時的消耗功率。這個值要盡可能的小，因為一旦阻值偏大，就會使得功耗變大。

MOS管 導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，這樣電流就會在這個電阻上消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會減小導(dǎo)通損耗。

現(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右，幾毫歐的也有。

4、ID(導(dǎo)通電流)

最大漏源電流。是指場效應(yīng)管正常工作時，漏源間所允許通過的最大電流。 場效應(yīng)管的工作電流不應(yīng)超過 ID 。

一般實際應(yīng)用作為開關(guān)用需要考慮到末端負載的功耗，判斷是否會超過 ID。

5、VDSS(漏源擊穿電壓)

漏源擊穿電壓是指柵源電壓VGS 為 0 時，場效應(yīng)管正常工作所能承受的最大漏源電壓。

擊穿后會使得 ID 劇增。

這是一項極限參數(shù)，加在場效應(yīng)管上的工作電壓必須小于 V（BR）DSS 。

6、gfs(跨導(dǎo))

是指漏極輸出電流的變化量與柵源電壓變化量之比，

是表征MOS管放大能力的一個重要參數(shù),是柵源電壓對漏極電流控制能力大小的量度。

過小會導(dǎo)致 MOS 管關(guān)斷速度降低，過大會導(dǎo)致關(guān)斷速度過快， EMI特性差。

7、充電參數(shù)

柵極充電信息：

 

因為MOS管的都有寄生電容，其被大多數(shù)制造廠商分成輸入電容，輸出電容以及反饋電容。

輸入電容值只給出一個大概的驅(qū)動電路所需的充電說明，而柵極充電信息更為有用，它表明為達到一個特定的柵源電壓柵極所必須充的電量。

MOS管的寄生電容

寄生電容是指電感，電阻，芯片引腳等在高頻情況下表現(xiàn)出來的電容特性。

實際上，一個電阻等效于一個電容，一個電感，一個電阻的串聯(lián)，低頻情況下表現(xiàn)不明顯，而高頻情況下，等效值會增大。

MOS管用于控制大電流通斷，經(jīng)常被要求數(shù)十K乃至數(shù)M的開關(guān)頻率，在這種用途中，柵極信號具有交流特征，頻率越高，交流成分越大，寄生電容就能通過交流電流的形式通過電流，形成柵極電流。消耗的電能、產(chǎn)生的熱量不可忽視。

加在 G 極的弱驅(qū)動信號瞬間變?yōu)楦唠娖剑�但是為了“灌滿”寄生電容需要時間，就會產(chǎn)生上升沿變緩，影響開關(guān)頻率。

在MOS管的規(guī)格書中，有這么幾個電容參數(shù)：

 

對于這幾個電容參數(shù)，看下圖所示：

 

一般從單片機普通應(yīng)用來說，我們對這個開關(guān)要求沒那么高，如果不是特殊應(yīng)用場合可以不用深究。

但是不能忽略寄生電容，所以在我們的MOS使用時候，就會在GS級加上一個電阻，用來釋放寄生電容的電流。

米勒電容

這三個等效電容是構(gòu)成串并聯(lián)組合關(guān)系，它們并不是獨立的，而是相互影響，其中一個關(guān)鍵電容就是米勒電容Cgd。這個電容不是恒定的，它隨著柵極和漏極間電壓變化而迅速變化，同時會影響柵極和源極電容的充電。

額外說明一下，三極管也有米勒電容和米勒效應(yīng)，但是相對來說MOS管的米勒電容會比三極管的大很多（具體原因由于工藝問題和MOS管特性問題，阻抗大 —> 電流小 —> 充電時間長 —> 等效電容大）。

米勒效應(yīng)會嚴重增加MOS的開通損耗，因為它延長了MOS的開通時間，同時會降低MOS的開關(guān)速度。但因為MOS管的制造工藝，一定會產(chǎn)生Cgd，也就是米勒電容一定會存在，所以米勒效應(yīng)不能避免，只有采用適當?shù)姆椒�減緩。

一般有四種方法：

①選擇合適的門極驅(qū)動電阻RG

②在 G 和 S 之間增加電容

③采用負壓驅(qū)動

④門極有源鉗位

如果想具體了解的朋友，詳細說明請參考這篇博文：米勒電容和米勒效應(yīng)

為什么常在MOS管GS并聯(lián)電阻？

借用我實際使用的一個電路：

 

其中 R1，就是我們現(xiàn)在說的GS間的并聯(lián)電阻，上文說到過，電阻的作用是用來釋放寄生電容的電流。

那么原因我們來分析一下，還是要借用一下上面的圖：

 

總結(jié)一下：

1、起到防ESD靜電的作用，避免處在一個高阻態(tài)。這個電阻可以把它當作是一個泄放電阻，避免MOS管誤動作，從而 損壞MOS管的柵GS極；

2、提供固定偏置，在前級電路開路時，這個的電阻可以保證MOS有效的關(guān)斷（理由：G極開路，當電壓加在DS端時候，會對Cgd充電，導(dǎo)致G極電壓升高，不能有效關(guān)斷）

GS端電阻阻值選擇：

建議是一般取5K至數(shù)10K左右，太大影響 MOS 管的關(guān)斷速度。 太小驅(qū)動電流會增大，驅(qū)動功率增大。但是在有些地方大一點也無所謂，比如電源防反接等不需要頻繁開關(guān)的場合（上面示例圖）。

為什么要在MOS管G級串聯(lián)電阻？

還是在上面的示例圖，R2，就是G級的串聯(lián)電阻。這個電阻有什么作用呢？

串聯(lián)電阻還是因為寄生電容！在G級 串聯(lián)一個電阻，與 Ciss（Ciss = Cgd+Cgs）形成一個RC充放電電路，可以減小瞬間電流值， 不至于損毀MOS管的驅(qū)動芯片。

網(wǎng)上還有一種說法是：抑制振蕩

MOS管接入電路，也會有引線產(chǎn)生的寄生電感的存在，與寄生電容一起，形成LC振蕩電路。對于開關(guān)方波波形，是有很多頻率成分存在的，那么很可能與諧振頻率相同或者相近，形成串聯(lián)諧振電路。

串聯(lián)一個電阻，可以減小振蕩電路的Q值，是振蕩快速衰減，不至于引起電路故障。

G級電阻阻值選擇：

一般不建議太大，網(wǎng)上建議百歐以內(nèi)，會減緩MOS管的開啟與通斷時間，增加損耗，但是在有些地方大一點也無所謂，比如電源防反接等不需要頻繁開關(guān)的場合（上面示例圖）。

最后說明一下上面這兩個問題，具體情況要具體分析，電阻的選擇不是絕對的，比如上面示例我實際使用的電路，我 GS 的并聯(lián)電阻使用了1M，G級串聯(lián)的電阻使用了10K，對于我的防反接電路來說，也是正常的，大一點還能降低點電量工作時候的功耗。

雖然不能給出絕對的參考，但是我們分析了電阻大小對電路的影響，所以根據(jù)自己使用的場合才能最終確定自己合適的阻值。

六、MOS管的封裝

不同的封裝形式，MOS管對應(yīng)的極限電流、電壓和散熱效果都會不一樣，這里根據(jù)博主使用過的和一些常見的做一些介紹。

1、SOT-23

一般單片機方案中最常用的封裝，適于幾A電流、60V及以下電壓環(huán)境中采用。

比如：AO3401 ，BSS84

 

2、SOT-223

也是單片機方案中最常用的封裝，一般也是幾A電流、60V及以下電壓環(huán)境。

比如：IRFL9014TRPBF， ZXMP6A17GTA

 

3、TO-252

是目前主流封裝之一，電流可以到70A，電壓100V以內(nèi)（電壓與電流成反比，電流越大，電壓越小）。

比如：SM4286T9RL

 

4、TO-220/220F

這兩種封裝樣式的MOS管外觀差不多，可以互換使用，不過TO-220背部有散熱片，其散熱效果比TO-220F要好些，價格相對也要貴些。這兩個封裝產(chǎn)品適于中壓大電流120A以下、高壓大電流20A以下的場合應(yīng)用。　

比如： IRF4905PBF，NCE6050A

 

另外還有一些其他的封裝：TO-263，TO-3P/247，TO-251，TO-92，SOP-8，就不一一介紹了。

主要在單片機系統(tǒng)領(lǐng)域，其他的封裝用得不太多，博主確實也沒用過。

七、MOS管判別

以下圖封裝的MOS管為例說明，除了SOT-23 封裝，只要是這種類型3腳的封裝，

那么他的G、D、S一定是按照下圖所示的方向定義的（有錯誤請指出）：

 

重要：如果用測量之前將MOS的3個極短接，泄放MOS管內(nèi)部電荷，確保MOS截止！！！

判別是NMOS 還是 PMOS 以及MOS管好壞。

將萬用表調(diào)至二極管檔，將紅表筆接在MOS的S極，黑表筆接在D極， 如果這時候萬用表顯示0.4V~0.9V（二極管特性，不同MOS管有一定差異）電壓值，說明這很可能是一個 NMOS；如果沒有讀數(shù)，說明這很可能是一個PMOS，

為什么說很可能是，因為得考慮到一種情況，MOS管D和S已經(jīng)擊穿損壞或者是寄生二極管開路損壞。

所以只需要將上面的紅黑表筆返回來再測試一遍，如果情況相反，那么就能夠判斷是 NMOS 還是PMOS。

如果上面操作萬用表都顯示一定的電壓值，代表MOS管D和S已經(jīng)擊穿損壞。

如果上面操作萬用表都顯示1，代表MOS管寄生二極管開路損壞。

將萬用表調(diào)至蜂鳴器檔或者電阻檔，將紅表筆接在MOS的G極，黑表筆接在S極，蜂鳴器不會響，GS阻抗比較大，代表GS沒有擊穿損壞。

另外說明：網(wǎng)上確實有文章使用萬用表判斷一個MOS管的G，S，D級，可這里我在實際工作中，確實真沒有用到過，但并不表示我認為沒有用。如果今后真實遇到，我會來更新此部分。

八、MOS管應(yīng)用

前面也提到過，現(xiàn)在芯片內(nèi)部集成的幾乎都是MOS管。可見MOS管現(xiàn)在在電子產(chǎn)品的地位，

MOS管產(chǎn)品可廣泛的應(yīng)用于電源，通訊，汽車電子，節(jié)能燈，家電等產(chǎn)品。

具體比如：開關(guān)電源應(yīng)用，恒流源，MOS管可應(yīng)用于放大，阻抗變換，可變電阻等。

MOS管的應(yīng)用 是基于 MOS管的特點優(yōu)勢來決定的。

我這里大話不說，針對自己的行業(yè)單領(lǐng)域，總結(jié)了幾個比較實際的應(yīng)用場合：

1、作開關(guān)管用

可參考博主電路小課堂的幾篇博文：

分享一款實用的太陽能充電電路（室內(nèi)光照可用）

聊聊電源自動切換電路（常用自動切換電路總結(jié)）

2、防反接用

相對于二極管來說，MOS管還是有很大的優(yōu)勢，我下一篇電路小課堂會更新防反接電路。

 

電路小課堂已經(jīng)更新：

結(jié)合實際聊聊防反接電路（防反接電路總結(jié)）

3、作電平轉(zhuǎn)換用

電路小課堂會更新電平轉(zhuǎn)換電路。

 

結(jié)合實際聊聊電平轉(zhuǎn)換電路（常用電平轉(zhuǎn)換電路總結(jié)）

4、彌勒平臺用于緩啟電路

請稍等……

當然正如本節(jié)開頭所說，MOS管的應(yīng)用非常的廣，這里的列舉只是針對單片機系統(tǒng)領(lǐng)域的小型電子產(chǎn)品應(yīng)用而言。 如果以后有機會接觸到其他應(yīng)用，博主回來更新說明！！！

最后，需要特別推薦一下 郭天祥老師的MOS管系列視頻，可以搜索 郭天祥-MOS管在網(wǎng)上找到。