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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 \(V_g-V_s>V_{gs(th)}\) 即可导通。

对 P-MOS 来说，当 \(V_s-V_g>V_{gs(th)}\) 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 \(U_{GS_(th)}\)：从图中可以看出 \(U_{GS_(th)} = 1 V\)。当 \(U_{GS} < U_{GS_(th)}\) 时，无论 \(U_{DS}\) 多大，电流 \(i_D\) 始终为 0。当 \(U_{GS} > U_{GS_(th)}\) 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 \(A/V^2\)）
  3. 可变电阻区和恒流区的分界线：随着 \(U_{GS}\) 增加，分界点电压 \(U_{DS_{dv}}\) 也在增加，且满足 \(U_{DS_{dv}}=U_{GS} - U_{GS_(th)}\)

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 \(U_{GS}\) 小于开启电压 \(U_{GS_(th)}\) 时，MOS 不导通。
  • 可变电阻区：\(U_{DS}\) 很小，\(I_D\) 随 \(U_{DS}\) 增大而增大。
  • 恒流区：\(U_{DS}\) 变化，\(I_D\) 变化很小。
  • 击穿区：\(U_{DS}\) 达到一定值时，MOS 被击穿，\(I_D\) 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 \(U_{GS_(th)}\)：增强型 MOS 的参数。指当 \(U_{DS}\) 不变时，使得 \(i_D > 0\) 所需最小的 \(\left| u_{GS} \right|\) 的值。
  • 夹断电压 \(U_{GS_(off)}\)：结型场效应管和耗尽型 MOS 的参数，与 \(U_{GS_(th)}\) 相似，代表当 \(U_{DS}\) 不变时，\(i_D\) 为规定的微小电流时的 \(u_{GS}\)。
  • 直流输入电阻 \(U_{GS_(DC)}\)：栅 - 源电压与栅极电流之比，一般 MOS 的 \(U_{GS_(DC)} > 10^9 \Omega\)。

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 低 高
噪声 大 小
反应速度 快 慢

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

原文地址：https://wiki-power.com/
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