Skip to main content

基本元器件 - 场效应管

场效应管是一种 电压控电流 的器件。其中,我们常用的 MOS 管是由是金属(metal)、氧化物(oxide)、半导体(semiconductor)组成的场效应晶体管。下文着重介绍以增强型 N 管。

场效应管的引脚与三极管相对应:栅极 / 门极(G)对应基极(b),漏极(D)对应集电极(c),源极(S)对应发射级(e)。箭头指电子运动的方向。

所有场效应管在正常工作时,门级都不会有电流。所以,漏极电流一定等于源极电流。其核心是用 GS 两端电压来控制漏极电流。所以也称为压控型元器件。

MOS 管的引脚定义

MOS 管有三个引脚(G,S,D)其定义如下:

  • G:gate / 栅极
  • S:source / 源极
  • D:drain / 漏极

N 沟道的电源一般接在 D,输出接 S;P 沟道的电源一般接在 S,输出接 D,增强型 / 耗尽型接法基本一样。

MOS 管的 source 和 drain 是可以对调的,他们都是在 P 型 backgate 中形成的 N 型区,在大多数情况下,这个两个区是一样的,即使对调也不会影响性能。

寄生二极管

由于生产工艺,MOS 管会有寄生二极管,或称体二极管。

当满足 MOS 管的导通条件时,MOS 管的 D 极和 S 极会导通,这个时候体二极管是截止状态。因为 MOS 管导通内阻很小,不足以使寄生二极管导通。

MOS 管的导通条件

MOS 管是压控型,由 G 和 S 极之间压差决定是否导通。

对 N-MOS 来说,当 VgVs>Vgs(th)V_g-V_s>V_{gs(th)} 即可导通。

对 P-MOS 来说,当 VsVg>Vgs(th)V_s-V_g>V_{gs(th)} 即可导通。

增强型 MOS 管的特性

增强型 MOS 管的结构,是在 P 型硅衬底上,制作两个 N 型沟槽,用铝从其引出两个电极分别作为源极 S 和漏极 D(此时 D/S 可互换),然后在半导体的表面覆盖一层很薄的 SiO2 绝缘层,在漏源极间的绝缘层上再装上一个铝电极,作为栅极 G,在衬底上也引出一个电极 B。因为出厂时大多把衬底已经和源极连在一起,所以此时 D/S 不可互换

如图是增强型 MOSFET 的伏安特性曲线,左图为转移特性,右图为输出特性,他们共用纵轴。

伏安特性的关键要素:

  1. 开启电压 UGS(th)U_{GS_(th)}:从图中可以看出 UGS(th)=1VU_{GS_(th)} = 1 V。当 UGS<UGS(th)U_{GS} < U_{GS_(th)} 时,无论 UDSU_{DS} 多大,电流 iDi_D 始终为 0。当 UGS>UGS(th)U_{GS} > U_{GS_(th)} 时,MOSFET 才算开启。
  2. 恒流区方程i_D = K(u_{GS}-U_{GS_(th))^2,其中,K 影响转移特性曲线的增长速率(单位是 A/V2A/V^2
  3. 可变电阻区和恒流区的分界线:随着 UGSU_{GS} 增加,分界点电压 UDSdvU_{DS_{dv}} 也在增加,且满足 UDSdv=UGSUGS(th)U_{DS_{dv}}=U_{GS} - U_{GS_(th)}

MOSFET 工作状态

MOSFET 不同于三极管,因为某些型号封装内有并联二极管,所以其 D 和 S 极是不能反接的,且 N 管必须由 D 流向 S,P 管必须由 S 流向 D。可以用下表判断工作状态:

几个工作区:

  • 截止区:当 UGSU_{GS} 小于开启电压 UGS(th)U_{GS_(th)} 时,MOS 不导通。
  • 可变电阻区UDSU_{DS} 很小,IDI_DUDSU_{DS} 增大而增大。
  • 恒流区UDSU_{DS} 变化,IDI_D 变化很小。
  • 击穿区UDSU_{DS} 达到一定值时,MOS 被击穿,IDI_D 突然增大,如果没有限流电阻,将被烧坏。
  • 过损耗区:功率较大,需要加强散热,注意最大功率。

MOSFET 主要参数

直流参数:

  • 开启电压 UGS(th)U_{GS_(th)}:增强型 MOS 的参数。指当 UDSU_{DS} 不变时,使得 iD>0i_D > 0 所需最小的 uGS\left| u_{GS} \right| 的值。
  • 夹断电压 UGS(off)U_{GS_(off)}:结型场效应管和耗尽型 MOS 的参数,与 UGS(th)U_{GS_(th)} 相似,代表当 UDSU_{DS} 不变时,iDi_D 为规定的微小电流时的 uGSu_{GS}
  • 直流输入电阻 UGS(DC)U_{GS_(DC)}:栅 - 源电压与栅极电流之比,一般 MOS 的 UGS(DC)>109ΩU_{GS_(DC)} > 10^9 \Omega

选型关键参数:

  1. 击穿电压 V_BRDSS
    • 随温度变化,应留足余量
  2. 导通电阻 R_DS(on)
    • 导通电阻正温度系数,适合并联工作
    • 导通电阻越小,导通损耗越小
    • 导通电阻越小,Qg 就越大,相应的开关速度变慢
    • 带来的开关损耗越大,高频工作下需要折中考虑
  3. 最大结温
    • 永远不能超过最大结温
    • 只能测量壳温后通过热阻计算而得
  4. 动态电容和 Qg
    • 不是固定值,取决于工作条件
    • 作为开关时希望快速打开,需要一个驱动芯片提供瞬间大电流
    • 作为缓启动 MOS,需要慢慢打开,有效抑制浪涌电流

N-MOS:

  • 门极需要一个比源极更高的电压驱动
  • 更好的性能
  • 更多的选择
  • 更低的成本

P-MOS:

  • 门极需要一个比源极低的电压驱动
  • 不需要更高的电压驱动,驱动简单

三极管与场效应管的对比

三极管场效应管
特性电流控电流电压控电流
输入阻抗
噪声
反应速度

反馈

定义:将放大电路输出端信号(电压 / 电流)一部分或全部引回到输入端,与输入信号进行叠加。

负反馈:返回的信号对输入信号进行削弱。
正反馈:返回的信号对输入信号进行增强。

MOS 管常见的封装

SOT 封装

SOT(Small Out-Line Transistor,小外形晶体管封装)封装一般用于小功率 MOS 管。

SOT-23 封装:

SOT-89 封装:

TO 封装

TO(Transistor Out-line,晶体管外形)是比较早期的封装规格,原来多为直插封装(例如 TO-92,TO-220,TO-252),后来也慢慢进化到标贴式封装。TO252 和 TO263 是其典型,其中 TO-252 又称之为 D-PAK,TO-263 又称之为 D2PAK。

D-PAK 封装的 MOS 管有 3 个电极,其中漏极(D)的引脚被剪断不用,而是用背面的散热板作为漏极,能输出更大电流的同时也能更好地散热。

TO-252 封装:

TO-263 封装:

SOP 封装

SOP(Small Out-Line Package,小外形封装),也叫 SO、SOL 或 DFP。通常有 SOP-8、SOP-16、SOP-20、SOP-28 等等(数字表示引脚数)。MOS 的 SOP 封装多数采用 SOP-8 规格。

SOP-8 封装:

参考与致谢

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
版权声明:文章采用 CC BY-NC-SA 4.0 协议,转载请注明出处。