MOS管

MOS管的英文全稱叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金屬氧化物半導體型場效應管，屬于場效應晶體管中的絕緣柵型。MOS管是場效應管的一種。在一般電子電路中，MOS管通常被用于放大電路或開關電路。
MOS管分耗盡型和增強型的，區別在于耗盡型是常閉，加電壓時截止，而增強型是常開，加電壓時導通。
日常我們看到的NMOS、PMOS多為增強型MOS管；其中，PMOS可以很方便地用作高端驅動。不過PMOS由于存在導通電阻大、價格貴、替換種類少等問題，在高端驅動中，通常還是使用NMOS替代，這也是市面上無論是應用還是產品種類，增強型NMOS管最為常見的重要原因，尤其在開關電源和馬達驅動的應用中，一般都用NMOS管。（不用耗盡型是因為當設備開機時可能會誤觸發MOS管，導致整機失效；不易被控制，使得其應用極少。）
MOS管為壓控元件,你只要加到它的壓控元件所需電壓就能使它導通,它的導通就像三極管在飽和狀態一樣,導通結的壓降最小.這就是常說的精典是開關作用.去掉這個控制電壓經就截止。
場效應管柵極G、漏級D、源級S對應三極管基極B，集電極C，發射極E；

MOS管的判定

三個管腳：
G極(gate)—柵極，不用說比較好認
S極(source)—源極，不論是P溝道還是N溝道，兩根線相交的就是
D極(drain)—漏極，不論是P溝道還是N溝道，是單獨引線的那邊

N溝道與P溝道：
箭頭指向G極的是N溝道
箭頭背向G極的是P溝道

寄生二極管方向：
不論N溝道還是P溝道MOS管，中間襯底箭頭方向和寄生二極管的箭頭方向總是一致的：要么都由S指向D，要么都有D指向S

工作原理

以N溝道增強型MOS管為例
1、如下圖所示：將兩端N型半導體通過金屬引出，在接上電流，可以發現整個回路不導通，因為在回路中有兩個反向相反的PN結。

2、為了讓其導通，在P型半導體區加上一層很薄的二氧化硅絕緣層，在絕緣層上再加一片金屬板形成柵極，如下圖所示：

3、把柵極也接上電，這樣柵極就有電場，就能把P區的電子吸引過來，把空穴排斥走，電壓越大，吸引過來的電子數量就越多。
4、如下圖所示，當自由電子吸引的足夠多時，柵源極之間的電壓U_GS達到了開啟電壓U_GS（th），就形成了N溝道，所謂N溝道就是由電子形成的溝道，這樣就實現在柵極施加電壓之后，MOS就導通的原理。沒有電壓，MOS管就截止了。

MOS管的三種工作狀態

1、當V_GS<V_GS（TH）時，MOS管處于截止狀態；
2、當V_GS>V_GS（TH）、V_DS<V_GS-V_GS（TH）時，MOS管導通，且處在線性區，此時可以等效為線性電阻。
3、當V_GS>V_GS（TH）、V_DS>V_GS-V_GS（TH）時，MOS管導通，且處在飽和區，此時可以等效為電壓控制的電流源。
只要MOS管導通，且V_GS>V_DS，則MOS管一定處在飽和區。

MOSFET主要參數

關斷電壓V_P 、極限參數、最大漏級電流I_dm 、最大功耗P_dm 。

MOS管主要參數：
1、開啟電壓V_GS（TH）（增強型MOS管的參數）
開啟電壓（又稱閾值電壓）：使得源極S和漏極D之間開始形成導電溝道所需的柵極電壓；
標準的N溝道MOS管，V_GS（TH）約為3～6V；
通過工藝上的改進，可以使MOS管的V_GS（TH）值降到2～3V。

2、夾斷電壓V_GS（off）（是結型場效應管和耗盡型MOS管的參數）
與V_GS（TH）相類似，V_GS（off）是在U_DS為常量情況下i_D為規定的微小電流（如5μA）時的U_GS。

3、最大漏極電流I_DM:
I_DM是管子正常工作時漏極電流的上限值。

4、擊穿電壓:
管子進入恒流區后,使i_DS驟然增大的U_DS稱為漏-源擊穿電壓U_(BR)DS,U_DS超過此值會使管子損壞。
對結型場效應管,使柵極與溝道間PN結反向擊穿的U_GS為柵-源擊穿電壓U_(BR)GS;
對絕緣柵型場效應管,使絕緣層擊穿的U_GS為柵-源擊穿電壓U_(BR)GS。

5、最大耗散功率P_DM:
P_DM決定于管子允許的溫升。P_DM確定后,便可在管子的輸出特性上畫出臨界最大功耗線;再根據I_DM和U_(BR)DS,便可得到管子的安全工作區。
對于MOS管,柵一襯之間的電容容量很小，只要有少量的感應電荷就可產生很高的電壓。而由于R_GS(DC)很大,感應電荷難于釋放,以至于感應電荷所產生的高壓會使很薄的絕緣層擊穿，造成管子的損壞。因此,無論是在存放還是在工作電路中,都應為柵-源之間提供直流通路,避免柵極懸空;同時在焊接時,要將電烙鐵良好接地。

6、直流輸入電阻R_GS
即在柵源極之間加的電壓與柵極電流之比
這一特性有時以流過柵極的柵流表示
MOS管的R_GS可以很容易地超過10^10Ω。

7、低頻跨導gm
在V_DS為某一固定數值的條件下 ，漏極電流的微變量和引起這個變化的柵源電壓微變量之比稱為跨導
gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力
是表征MOS管放大能力的一個重要參數
一般在十分之幾至幾mA/V的范圍內

8、導通電阻R_ON
導通電阻R_ON說明了V_DS對I_D的影響 ，是漏極特性某一點切線的斜率的倒數
在飽和區，I_D幾乎不隨V_DS改變，R_ON的數值很大 ，一般在幾十千歐到幾百千歐之間
由于在數字電路中 ，MOS管導通時經常工作在V_DS=0的狀態下，所以這時的導通電阻R_ON可用原點的R_ON來近似
對一般的MOS管而言，R_ON的數值在幾百歐以內

9、極間電容
三個電極之間都存在著極間電容：柵源電容C_GS 、柵漏電容C_GD和漏源電容C_DS
C_GS和C_GD約為1～3pF
C_DS約在0.1～1pF之間

10、低頻噪聲系數NF
噪聲是由管子內部載流子運動的不規則性所引起的
由于它的存在，就使一個放大器即便在沒有信號輸人時，在輸　　　出端也出現不規則的電壓或電流變化
噪聲性能的大小通常用噪聲系數NF來表示，它的單位為分貝（dB）
這個數值越小，代表管子所產生的噪聲越小
低頻噪聲系數是在低頻范圍內測出的噪聲系數
場效應管的噪聲系數約為幾個分貝，它比雙極性三極管的要小

MOS的特點

兩個特性：
（1） 因為有絕緣層，所以MOS管柵極輸入電阻很大，可以達到上億歐姆，所以說它的輸入幾乎不取電流
（2）柵極容易被靜電擊穿，因為輸入電阻大，感應電荷很難釋放，產生的感應電荷容易把很薄的柵層擊穿。然后形成柵極與源極之間的電流

MOS管的作用

開關作用：

一般認為MOSFET（MOS管）是電壓驅動的，不需要驅動電流。然而，在MOS管的G極和S極之間有結電容存在，這個電容會讓驅動MOS變的不那么簡單。
下圖的3個電容為MOS管的結電容，電感為電路走線的寄生電感：

1、設計需要注意的地方：

如果不考慮紋波、EMI和沖擊電流等要求的話，MOS管開關速度越快越好。 因為開關時間越短，開關損耗越小，而在開關電源中開關損耗占總損耗的很大一部分，因此MOS管驅動電路的好壞直接決定了電源的效率。

怎么做到MOS管的快速開啟和關閉呢？對于一個MOS管，如果把GS之間的電壓從0拉到管子的開啟電壓所用的時間越短，那么MOS管開啟的速度就會越快。與此類似，如果把MOS管的GS電壓從開啟電壓降到0V的時間越短，那么MOS管關斷的速度也就越快。由此我們可以知道，如果想在更短的時間內把GS電壓拉高或者拉低，就要給MOS管柵極更大的瞬間驅動電流。常用的PWM芯片輸出直接驅動MOS或者用三極管放大后再驅動MOS的方法，其實在瞬間驅動電流這塊是有很大缺陷的。比較好的方法是使用專用的MOSFET驅動芯片如TC4420來驅動MOS管，這類的芯片一般有很大的瞬間輸出電流，而且還兼容TTL電平輸入，MOSFET驅動芯片的內部結構如下：

因為驅動線路走線會有寄生電感，而寄生電感和MOS管的結電容會組成一個LC振蕩電路，如果直接把驅動芯片的輸出端接到MOS管柵極的話，在PWM波的上升下降沿會產生很大的震蕩，導致MOS管急劇發熱甚至爆炸，一般的解決方法是在柵極串聯10歐左右的電阻（具體可以參考電阻作用章節），降低LC振蕩電路的Q值，使震蕩迅速衰減掉。

因為MOS管柵極高輸入阻抗的特性，一點點靜電或者干擾都可能導致MOS管誤導通，所以建議在MOS管G極和S極之間并聯一個10K的電阻以降低輸入阻抗。

如果擔心附近功率線路上的干擾耦合過來產生瞬間高壓擊穿MOS管的話，可以在GS之間再并聯一個18V左右的TVS瞬態抑制二極管。TVS可以認為是一個反應速度很快的穩壓管，其瞬間可以承受的功率高達幾百至上千瓦，可以用來吸收瞬間的干擾脈沖。

綜上，MOS管驅動電路參考：

2、布線設計

MOS管驅動線路的環路面積要盡可能小，否則可能會引入外來的電磁干擾。

驅動芯片的旁路電容要盡量靠近驅動芯片的VCC和GND引腳，否則走線的電感會很大程度上影響芯片的瞬間輸出電流。

3、開關時MOS管驅動波形

常見的故障波形：

如果出現了這樣圓不溜秋的波形就等著核爆吧。有很大一部分時間管子都工作在線性區，損耗極其巨大。
一般這種情況是布線太長電感太大，柵極電阻都救不了你，只能重新畫板子。

高頻振鈴嚴重的毀容方波：

在上升下降沿震蕩嚴重，這種情況管子一般瞬間死掉，跟上一個情況差不多，進線性區。
原因也類似，主要是布線的問題。又胖又圓的肥豬波。
上升下降沿極其緩慢，這是因為阻抗不匹配導致的。
芯片驅動能力太差或者柵極電阻太大。
果斷換大電流的驅動芯片，柵極電阻往小調調就OK了。
打腫臉充正弦的生于方波他們家的三角波：

驅動電路阻抗超大發了，此乃管子必殺波，解決方法同上。
大眾臉型，人見人愛的方波：

高低電平分明，電平這時候可以叫電平了，因為它平。邊沿陡峭，開關速度快，損耗很小，略有震蕩，可以接受，管子進不了線性區，強迫癥的話可以適當調大柵極電阻。

方方正正的帥哥波，無振鈴無尖峰無線性損耗的三無產品，這就是最完美的波形了。

放大作用：

MOS管通過柵源之間的電壓V_GS來控制漏極電流i_D，因此，它和晶體管一樣可以實現對能量的控制，構成放大電路。由于柵源之間的電阻可達10⁷~10¹²Ω，所以常作為高輸入阻抗放大電路。
下面以N溝道增強型MOS管的共源放大電路為例進行分析：

這個一個分壓式偏置電路

分析：
可以通過公式運算求得靜態工作點和放大倍速A_u
1、靜態時，由于柵極電流為0，所以電阻R3上的電流為0，所以柵極電壓和源極電壓分別為
U_GQ=[R₆/(R₅+R₆)]·V_DD
U_SQ=I_DQ·R_S
得到柵源電壓為
U_GS=U_GQ-U_SQ=[R₆/(R₅+R₆)]·V_DD-I_DQ·R_S
聯立公式
I_DQ=I_DO(U_GS/U_GS(th)-1)²（I_DO是u_GS=2U_GS（th）時的i_D)
可以得到U_GS、I_DQ
再利用公式
U_DSQ=V_DD-I_DQ(R_D+R_S)
可以算得U_DSQ（至此算得此電路的靜態工作狀態）

2、對于放大倍速與輸入電阻、輸出電阻則要放到交流等效模型中進行計算
可以參考下圖基本共源放大電路簡化的交流等效電流


在小信號的作用下可以近似為

得到
A_U=U_O/U_I=-g_mR_D
R_I=∞
R_O=R_D

思考：相比于三極管的分壓偏置電路，MOS管的分壓偏置電路多了一個電阻Rg3，為什么要增加這個電阻呢？
在畫交流等效模型求解輸入電阻的時候，如果沒有電阻Rg3，那么這個電路的輸入電阻是Rg1與Rg2的并聯，如果增加Rg3的話，那么輸入電阻就變成了（Rg1//Rg2）+Rg3，這樣輸入電阻的阻值就會變大，因此我們在設置Rg3的大小時，應該選的大一些（一般幾兆Ω就OK），但是不要太大，電阻阻值取得太大產生的噪聲就會很大，甚至淹沒輸入信號。

MOS管的應用

MOS管的電平轉換電路

分四種情況：
1、當SDA1輸出高電平時：MOS管Q1的Vgs = 0，MOS管關閉，SDA2被電阻R3上拉到5V。
2、當SDA1輸出低電平時：MOS管Q1的Vgs = 3.3V，大于導通電壓，MOS管導通，SDA2通過MOS管被拉到低電平。
3、當SDA2輸出高電平時：MOS管Q1的Vgs不變，MOS維持關閉狀態，SDA1被電阻R2上拉到3.3V。
4、當SDA2輸出低電平時：MOS管不導通，**但是它有體二極管！**MOS管里的體二極管把SDA1拉低到低電平，此時Vgs約等于3.3V，MOS管導通，進一步拉低了SDA1的電壓。

注：低電平指等于或接近0V。高電平指等于或接近電源電壓。所以3.3V電壓域的器件，其高電平為等于或接近3.3V；5V電壓域的器件，其高電平為等于或接近5V。

電機驅動H橋電路

H橋電路如果去掉上下電源與底線，電路結構與英文字母“H”相似。在電路兩邊上下各自放置了四個由功率晶體管組成的“電子開關”，負載（通常是功率器件：比如電機）橫亙在左右電子開關中間。左右兩個組開關被稱為兩個半橋。

功率電子開關（Q1,Q2,Q3,Q4）通常使用雙極性功率三極管，或者場效應（FET）晶體管。特殊高壓場合使用絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）。四個并聯的二極管（D1，D2，D3，D4）通常被稱為鉗位二極管（Catch Diode），通常使用肖特基二極管。很多功率MOS管內部也都集成有內部反向導通二極管。H-橋電路上下分別連接電源正負極。
四個功率開關可以通過驅動電路被控制打開（Open）或者閉合（Close）。本質上四個功率管的開關狀態組合應該有2⁴ = 16種，但只有其中幾種不同的組合才能夠真正安全用于負載供電控制。

橋電路可以控制很多負載，但通常情況下會使用脈寬調制（PWM）驅動波形來為直流電機、雙極性步進電機等進行高效控制。

工作模式：
下面顯示了組成橋電路四個功率開關的不同開關狀態組合為負載所提供的不同驅動電源方式。
比如下圖中： 左上右下（Q1,Q4）晶體管閉合，右上左下（Q3，Q4）晶體管斷開，負載上施加有左正右負的電源電壓（忽略了晶體管的導通電壓）。電機正轉。

??下圖是相反的情況，通過Q3、Q2的導通，Q1、Q4的斷開，電機負載上施加了相反機型的電源電壓。電機反轉。

也有一些組合模式，是不向電機供電。比如當四個晶體開關都斷開，此時電機負載相當于兩端懸空。如果電機此時在運動，其轉子的動能就會在摩擦力的作用下逐步消耗，電機慢慢停止。

下圖所示的兩種情況：H橋電路的上半部（或者下半部）的兩個晶體管閉合，對應的另外兩個晶體管斷開。此時電機兩端被橋電路實際上是短接在一起。電機兩端電壓為0。如果此時電機在運動，那么它轉子的動能會通過所產生的反向電動勢（EMF）在外部短路橋電路回路中形成制動電流，電機會快速制動。

??也有一些組合是需要堅決避免的。比如下圖所示的，當H-橋電路一邊的上下兩個晶體管同時導通（同時斷開是允許的)，電源就會通過這兩個晶體管形成短路回路。所產生巨大的短路電流通常會毫不客氣的將這兩個晶體管給燒毀。

同邊橋臂短路情況有時是控制信號不好（沒有給足死區時間），有時是功率器件不夠堅強（耐壓不夠被擊穿）。但由于關系到H橋電路的生死，所以需要精細避免。

MOS管的測量

現在由于生產工藝的進步，出廠的篩選、檢測都很嚴格，我們一般判斷只要判斷MOS管不漏電、不擊穿短路、內部不斷路、能放大就可以了，方法極為簡單：采用萬用表的R×10K擋;R×10K擋內部的電池一般是9V加1.5V達到10.5V這個電壓一般判斷PN結點反相漏電是夠了，萬用表的紅表筆是負電位(接內部電池的負極)，萬用表的黑表筆是正電位(接內部電池的正極)，如圖所示。（電池要保證電壓足夠大于9V，用快沒電的電池可能會測不出）

把紅表筆接到MOS管的源極S;把黑表筆接到MOS管的漏極D，此時表針指示應該為無窮大，如下圖所示。如果有歐姆指數，說明被測管有漏電現象，此管不能用。

保持上述狀態;此時用一只100K～200K電阻連接于柵極和漏極，如下圖所示;這時表針指示歐姆數應該越小越好，一般能指示到0歐姆，這時是正電荷通過100K電阻對MOS管的柵極充電，產生柵極電場，由于電場產生導致導電溝道致使漏極和源極導通，所以萬用表指針偏轉，偏轉的角度大(歐姆指數小)證明放電性能好。

此時在上圖的狀態;再把連接的電阻移開，這時萬用表的指針仍然應該是MOS管導通的指數不變，如下圖所示。雖然電阻拿開，但是因為電阻對柵極所充的電荷并沒有消失，柵極電場繼續維持，內部導電溝道仍然保持，這就是絕緣柵型MOS管的特點。如果電阻拿開表針會慢慢的逐步的退回到高阻甚至退回到無窮大，要考慮該被測管柵極漏電。

這時用一根導線，連接被測管的柵極和源極，萬用表的指針立即返回到無窮大，如上圖所示。導線的連接使被測MOS管，柵極電荷釋放，內部電場消失;導電溝道也消失，所以漏極和源極之間電阻又變成無窮大。

MOS管的更換

在修理電視機及各種電器設備時，遇到元器件損壞應該采用相同型號的元件進行更換。但是，有時相同的元件手邊沒有，就要采用其他型號的進行代換，這樣就要考慮到各方面的性能、參數、外形尺寸等，例如電視的里面的行輸出管，只要考慮耐壓、電流、功率一般是可以進行代換的(行輸出管外觀尺寸幾乎相同)，而且功率往往大一些更好。

對于MOS管代換雖然也是這一原則，最好是原型號的最好，特別是不要追求功率要大一些，因為功率大;輸入電容就大，換了后和激勵電路就不匹配了，激勵灌流電路的充電限流電阻的阻值的大小和MOS管的輸入電容是有關系的，選用功率大的盡管容量大了，但輸入電容也就大了，激勵電路的配合就不好了，這反而會使MOS管的開、關性能變壞。所示代換不同型號的MOS管，要考慮到其輸入電容這一參數。

例如有一款42寸液晶電視的背光高壓板損壞，經過檢查是內部的大功率MOS管損壞，因為無原型號的代換，就選用了一個，電壓、電流、功率均不小于原來的MOS管替換，結果是背光管出現連續的閃爍(啟動困難)，最后還是換上原來一樣型號的才解決問題。

檢測到MOS管損壞后，更換時其周邊的灌流電路的元件也必須全部更換，因為該MOS管的損壞也可能是灌流電路元件的欠佳引起MOS管損壞。即便是MOS管本身原因損壞，在MOS管擊穿的瞬間，灌流電路元件也受到傷害，也應該更換。就像我們有很多高明的維修師傅在修理A3開關電源時;只要發現開關管擊穿，就也把前面的2SC3807激勵管一起更換一樣道理(盡管2SC3807管，用萬用表測量是好的)。

常見問題：

為什么OD（開漏）和OC（開集）輸出必須加上拉電阻？

答：因為MOS管和三極管關閉時，D、C是高阻態，輸出無確定電平，必須提供上拉電平，確定高電平時的輸出電壓。

CMOS與TTL電路的接口

在TTL工藝邏輯芯片中，目前仍在使用的僅存OC輸出反向驅動器7406、OC輸出同向驅動器7407芯片，因此在應用中還是有可能出現CMOS芯片驅動7406、7407或出現7406、7407驅動CMOS芯片的情況。

1、CMOS驅動7406、7407
**可以直接相接，**因為如下圖所示，CMOS的最小輸出高電平電壓V_OH大于TTL的最小輸入低電平電壓V_IH、而且CMOS的輸出低電平最大電壓V_OL小于TTL最大輸入低電平電壓V_IL。

2、7406、7407驅動CMOS
此情景下，TTL的最小輸出高電平電壓V_OH小于CMOS的最小輸入低電平電壓V_IH、而TTL的輸出低電平最大電壓V_OL小于CMOS最大輸入低電平電壓V_IL。所以在相接時要接上拉電阻。 如下圖所示：
且輸出級NPN型三極管的最大耐壓為30V，而CMOS電源電壓V_DD不超過18V，因此在7406、7407的輸出端與CMOS負載門電源引腳V_DD之間接上拉電阻R_L后就能滿足負載門輸入電壓的要求。

MOS管與三極管的區別

1、工作性質：三極管用電流控制，MOS管屬于電壓控制。
2、成本問題：三極管便宜，MOS管貴。
3、功耗問題：三極管損耗大，MOS管較小。
4、驅動能力：mos管常用來電源開關，以及大電流地方開關電路。
下面針對一些電路設計當中會呈現的情況，列出了幾種MOS管和三級管的選擇規律：
1、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。
2、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管是應用一種多數載流子導電，所以稱之為單極型器件，而三極管是既有多數載流子，也應用少數載流子導電。被稱之為雙極型器件。
3、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。
4、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便當地把很多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。
5、MOS管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優點，因而也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抵達的性能。

如何區分MOS管和三極管

用萬用表的二極管檔（或1k~10k電阻檔）測量，三極管的發射極和集電極都對基極單向導通，而發設計和集電極之間互不導通；利用這一點可以確定是否三極管以及類型（PNP管或NPN管）；場效應管則比較復雜，增強型和耗盡型的特點都不一樣，但是柵極對源極和漏極一定是不導通的，MOS管也一樣，MOS管也是場效應管的一種，只是輸入阻抗更高而已。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的MOS管相关知识的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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