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MOS管结构原理图解及场效应管内部结构图【最全图文详解】

发布时间:2020-03-11 08:24人气:

什么是mos管

mos管是金属(metal)—氧化物(oxide)—半导体(semiconductor)场效应晶体管,或者称是金属—绝缘体(insulator)—半导体。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。在多数情况下,这个两个区是一样的,即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。


MOS管结构原理图解及场效应管内部结构图【最全图文详解】第1图


双极型晶体管把输入端电流的微小变化放大后,在输出端输出一个大的电流变化。双极型晶体管的增益就定义为输出输入电流之比(beta)。另一种晶体管,叫做场效应管(FET),把输入电压的变化转化为输出电流的变化。FET的增益等于它的transconductance, 定义为输出电流的变化和输入电压变化之比。市面上常有的一般为N沟道和P沟道,详情参考右侧图片(N沟道耗尽型MOS管)。而P沟道常见的为低压mos管。


场效应管通过投影一个电场在一个绝缘层上来影响流过晶体管的电流。事实上没有电流流过这个绝缘体,所以FET管的GATE电流非常小。最普通的FET用一薄层二氧化硅来作为GATE极下的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体(MOS)晶体管,或,金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。因为MOS管更小更省电,所以他们已经在很多应用场合取代了双极型晶体管。


MOS管工作原理图详解

MOS管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。


MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。

在MOS管工作原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。


mos管优势

1.可应用于放大。由于场效应管放大器的输入阻抗很高,因此耦合电容可以容量较小,不必使用电解电容器。

2.很高的输入阻抗非常适合作阻抗变换。常用于多级放大器的输入级作阻抗变换。

3.可以用作可变电阻。

4.可以方便地用作恒流源。

5.可以用作电子开关。

6.在电路设计上的灵活性大。栅偏压可正可负可零,三极管只能在正向偏置下工作,电子管只能在负偏压下工作。另外输入阻抗高,可以减轻信号源负载,易于跟前级匹配。


1.判断栅极G

MOS驱动器主要起波形整形和加强驱动的作用:假如MOS管的G信号波形不够陡峭,在点评切换阶段会造成大量电能损耗其副作用是降低电路转换效率,MOS管发烧严峻,易热损坏MOS管GS间存在一定电容,假如G信号驱动能力不够,将严峻影响波形跳变的时间。


将G-S极短路,选择万用表的R×1档,黑表笔接S极,红表笔接D极,阻值应为几欧至十几欧。若发现某脚与其字两脚的电阻均呈无限大,并且交换表笔后仍为无限大,则证实此脚为G极,由于它和另外两个管脚是绝缘的。


2.判断源极S、漏极D

将万用表拨至R×1k档分别丈量三个管脚之间的电阻。用交换表笔法测两次电阻,其中电阻值较低(一般为几千欧至十几千欧)的一次为正向电阻,此时黑表笔的是S极,红表笔接D极。因为测试前提不同,测出的RDS(on)值比手册中给出的典型值要高一些。


3.丈量漏-源通态电阻RDS(on)

在源-漏之间有一个PN结,因此根据PN结正、反向电阻存在差异,可识别S极与D极。例如用500型万用表R×1档实测一只IRFPC50型VMOS管,RDS(on)=3.2W,大于0.58W(典型值)。


其步骤如下:

假如有阻值没被测MOS管有漏电现象。

1、把连接栅极和源极的电阻移开,万用表红黑笔不变,假如移开电阻后表针慢慢逐步退回到高阻或无限大,则MOS管漏电,不变则完好

2、然后一根导线把MOS管的栅极和源极连接起来,假如指针立刻返回无限大,则MOS完好。

3、把红笔接到MOS的源极S上,黑笔接到MOS管的漏极上,好的表针指示应该是无限大。

4、用一只100KΩ-200KΩ的电阻连在栅极和漏极上,然后把红笔接到MOS的源极S上,黑笔接到MOS管的漏极上,这时表针指示的值一般是0,这时是下电荷通过这个电阻对MOS管的栅极充电,产生栅极电场,因为电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通,故万用表指针偏转,偏转的角度大,放电性越好。


MOS管(场效应管)的应用领域

1:工业领域、步进马达驱动、电钻工具、工业开关电源

2:新能源领域、光伏逆变、充电桩、无人机

3:交通运输领域、车载逆变器、汽车HID安定器、电动自行车

4:绿色照明领域、CCFL节能灯、LED照明电源、金卤灯镇流器


MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。

现在的MOS驱动,有几个特别的需求:


1、低压应用

当使用5V电源,这时候如果使用传统的mos管工作原理图图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。


同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。


2、宽电压应用

输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。

为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗。

同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗。


3、双电压应用

在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。

这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。

在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出要求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate电压限制的结构。


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