MOS管功率放大器電路圖

?MOS晶體管金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡(jiǎn)稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為CMOS-IC。

金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)結(jié)構(gòu)的晶體管簡(jiǎn)稱MOS晶體管，有P型MOS管和N型MOS管之分。MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而PMOS管和NMOS管共同構(gòu) 成的互補(bǔ)型MOS集成電路即為CMOS-IC

做電源設(shè)計(jì)，或者做驅(qū)動(dòng)方面的電路，難免要用到MOS管。MOS管有很多種類，也有很多作用。做電源或者驅(qū)動(dòng)的使用，當(dāng)然就是用它的開關(guān)作用。

無論N型或者P型MOS管，其工作原理本質(zhì)是一樣的。MOS管是由加在輸入端柵極的電壓來控制輸出端漏極的電流。MOS管是壓控器件它通過加在柵極上的電壓控制器件的特性，不會(huì)發(fā)生像三極管做開關(guān)時(shí)的因基極電流引起的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，因此在開關(guān)應(yīng)用中，MOS管的開關(guān)速度應(yīng)該比三極管快。其主要原理如圖:圖1。

圖1 MOS管的工作原理

我們?cè)陂_關(guān)電源中常用MOS管的漏極開路電路，如圖2漏極原封不動(dòng)地接負(fù)載，叫開路漏極，開路漏極電路中不管負(fù)載接多高的電壓，都能夠接通和關(guān)斷負(fù)載電流。是理想的模擬開關(guān)器件。這就是MOS管做開關(guān)器件的原理。當(dāng)然MOS管做開關(guān)使用的電路形式比較多了。

圖2 NMOS管的開路漏極電路

在開關(guān)電源應(yīng)用方面，這種應(yīng)用需要MOS管定期導(dǎo)通和關(guān)斷。比如，DC-DC電源中常用的基本降壓轉(zhuǎn)換器依賴兩個(gè)MOS管來執(zhí)行開關(guān)功能，這些開關(guān)交替在電感里存儲(chǔ)能量，然后把能量釋放給負(fù)載。我們常選擇數(shù)百kHz乃至1MHz以上的頻率，因?yàn)轭l率越高，磁性元件可以更小更輕。在正常工作期間，MOS管只相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。因此，我們電路或者電源設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是MOS的最小傳導(dǎo)損耗。

我們經(jīng)常看MOS管的PDF參數(shù)，MOS管制造商采用RDS(ON)參數(shù)來定義導(dǎo)通阻抗，對(duì)開關(guān)應(yīng)用來說，RDS(ON)也是最重要的器件特性。數(shù)據(jù)手冊(cè)定義RDS(ON)與柵極(或驅(qū)動(dòng))電壓VGS以及流經(jīng)開關(guān)的電流有關(guān)，但對(duì)于充分的柵極驅(qū)動(dòng)，RDS(ON)是一個(gè)相對(duì)靜態(tài)參數(shù)。一直處于導(dǎo)通的MOS管很容易發(fā)熱。另外，慢慢升高的結(jié)溫也會(huì)導(dǎo)致RDS(ON)的增加。MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了熱阻抗參數(shù)，其定義為MOS管封裝的半導(dǎo)體結(jié)散熱能力。RθJC的最簡(jiǎn)單的定義是結(jié)到管殼的熱阻抗。

其發(fā)熱情況有:

1.電路設(shè)計(jì)的問題，就是讓MOS管工作在線性的工作狀態(tài)，而不是在開關(guān)狀態(tài)。這也是導(dǎo)致MOS管發(fā)熱的一個(gè)原因。如果N-MOS做開關(guān)，G級(jí)電壓要比電源高幾V，才能完全導(dǎo)通，P-MOS則相反。沒有完全打開而壓降過大造成功率消耗，等效直流阻抗比較大，壓降增大，所以U*I也增大，損耗就意味著發(fā)熱。這是設(shè)計(jì)電路的最忌諱的錯(cuò)誤。

2.頻率太高，主要是有時(shí)過分追求體積，導(dǎo)致頻率提高，MOS管上的損耗增大了，所以發(fā)熱也加大了。

3.沒有做好足夠的散熱設(shè)計(jì)，電流太高，MOS管標(biāo)稱的電流值，一般需要良好的散熱才能達(dá)到。所以ID小于最大電流，也可能發(fā)熱嚴(yán)重，需要足夠的輔助散熱片。

4.MOS管的選型有誤，對(duì)功率判斷有誤，MOS管內(nèi)阻沒有充分考慮，導(dǎo)致開關(guān)阻抗增大。

首先考察一個(gè)更簡(jiǎn)單的器件--MOS電容--能更好的理解MOS管。這個(gè)器件有兩個(gè)電極，一個(gè)是金屬，另一個(gè)是extrinsic silicon(外在硅)，他們之間由一薄層二氧化硅分隔開。金屬極就是GATE，而半導(dǎo)體端就是backgate或者body。他們之間的絕緣氧化層稱為gate dielectric(柵介質(zhì))。圖示中的器件有一個(gè)輕摻雜P型硅做成的backgate。這個(gè)MOS 電容的電特性能通過把backgate接地，gate接不同的電壓來說明。MOS電容的GATE電位是0V。金屬GATE和半導(dǎo)體BACKGATE在WORK FUNCTION上的差異在電介質(zhì)上產(chǎn)生了一個(gè)小電場(chǎng)。在器件中，這個(gè)電場(chǎng)使金屬極帶輕微的正電位，P型硅負(fù)電位。這個(gè)電場(chǎng)把硅中底層的電子吸引到表面來，它同時(shí)把空穴排斥出表面。這個(gè)電場(chǎng)太弱了，所以載流子濃度的變化非常小，對(duì)器件整體的特性影響也非常小。

當(dāng)MOS電容的GATE相對(duì)于BACKGATE正偏置時(shí)發(fā)生的情況。穿過GATE DIELECTRIC的電場(chǎng)加強(qiáng)了，有更多的電子從襯底被拉了上來。同時(shí)，空穴被排斥出表面。隨著GATE電壓的升高，會(huì)出現(xiàn)表面的電子比空穴多的情況。由于過剩的電子，硅表層看上去就像N型硅。摻雜極性的反轉(zhuǎn)被稱為inversion，反轉(zhuǎn)的硅層叫做channel。隨著GATE電壓的持續(xù)不斷升高，越來越多的電子在表面積累，channel變成了強(qiáng)反轉(zhuǎn)。Channel形成時(shí)的電壓被稱為閾值電壓Vt。當(dāng)GATE和BACKGATE之間的電壓差小于閾值電壓時(shí)，不會(huì)形成channel。當(dāng)電壓差超過閾值電壓時(shí)，channel就出現(xiàn)了。

MOS電容:(A)未偏置(VBG=0V)，(B)反轉(zhuǎn)(VBG=3V)，(C)積累(VBG=-3V)。

正是當(dāng)MOS電容的GATE相對(duì)于backgate是負(fù)電壓時(shí)的情況。電場(chǎng)反轉(zhuǎn)，往表面吸引空穴排斥電子。硅表層看上去更重的摻雜了，這個(gè)器件被認(rèn)為是處于accumulation狀態(tài)了。

MOS電容的特性能被用來形成MOS管。Gate，電介質(zhì)和backgate保持原樣。在GATE的兩邊是兩個(gè)額外的選擇性摻雜的區(qū)域。其中一個(gè)稱為source，另一個(gè)稱為drain。假設(shè)source 和backgate都接地，drain接正電壓。只要GATE對(duì)BACKGATE的電壓仍舊小于閾值電壓，就不會(huì)形成channel。Drain和backgate之間的PN結(jié)反向偏置，所以只有很小的電流從drain流向backgate。如果GATE電壓超過了閾值電壓，在GATE電介質(zhì)下就出現(xiàn)了channel。這個(gè)channel就像一薄層短接drain和source的N型硅。由電子組成的電流從source通過channel流到drain。總的來說，只有在gate 對(duì)source電壓V 超過閾值電壓Vt時(shí)，才會(huì)有drain電流。

在對(duì)稱的MOS管中，對(duì)source和drain的標(biāo)注有一點(diǎn)任意性。定義上，載流子流出source，流入drain。因此Source和drain的身份就靠器件的偏置來決定了。有時(shí)晶體管上的偏置電壓是不定的，兩個(gè)引線端就會(huì)互相對(duì)換角色。這種情況下，電路設(shè)計(jì)師必須指定一個(gè)是drain另一個(gè)是source。

Source和drain不同摻雜不同幾何形狀的就是非對(duì)稱MOS管。制造非對(duì)稱晶體管有很多理由，但所有的最終結(jié)果都是一樣的。一個(gè)引線端被優(yōu)化作為drain，另一個(gè)被優(yōu)化作為source。如果drain和source對(duì)調(diào)，這個(gè)器件就不能正常工作了。

晶體管有N型channel所有它稱為N-channel MOS管，或NMOS。P-channel MOS(PMOS)管也存在，是一個(gè)由輕摻雜的N型BACKGATE和P型source和drain組成的PMOS管。如果這個(gè)晶體管的GATE相對(duì)于BACKGATE正向偏置，電子就被吸引到表面，空穴就被排斥出表面。硅的表面就積累，沒有channel形成。如果GATE相對(duì)于BACKGATE反向偏置，空穴被吸引到表面，channel形成了。因此PMOS管的閾值電壓是負(fù)值。由于NMOS管的閾值電壓是正的，PMOS的閾值電壓是負(fù)的，所以工程師們通常會(huì)去掉閾值電壓前面的符號(hào)。一個(gè)工程師可能說，"PMOS Vt從0.6V上升到0.7V"， 實(shí)際上PMOS的Vt是從-0.6V下降到-0.7V。