專業廠商分析MSO管的類型與工作原理（二）
二、P溝道增強型場效應管原理
P溝道增強型MOS管因在N型襯底中生成P型反型層而得名，其通過光刻、擴散的方法或其他手段，在N型襯底（基片）上制作出兩個摻雜的P區，分別引出電極（源極S和漏極D），同時在漏極與源極之間的SiO2絕緣層上制作金屬柵極G。其結構和工作原理與N溝道MOS管類似；只是使用的柵-源和漏-源電壓極性與N溝道MOS管相反。
在正常工作時，P溝道增強型MOS管的襯底必須與源極相連，而漏極對源極的電壓VDS應為負值，以保證兩個P區與襯底之間的PN結均為反偏，同時為了在襯底頂表面附近形成導電溝道，柵極對源極的電壓也應為負。
圖表6 P溝道增強型MOS管的結構示意圖
當VDS=0時。在柵源之間加負電壓比，由于絕緣層的存在，故沒有電流，但是金屬柵極被補充電而聚集負電荷，N型半導體中的多子電子被負電荷排斥向體內運動，表面留下帶正電的離子，形成耗盡層。
隨著G、S間負電壓的增加，耗盡層加寬，當VDS增大到一定值時，襯底中的空穴（少子）被柵極中的負電荷吸引到表面，在耗盡層和絕緣層之間形成一個P型薄層，稱反型層，如圖表6（2）所示。
這個反型層就構成漏源之間的導電溝道，這時的VGS稱為開啟電壓VGS（th），達到VGS（th）后再增加，襯底表面感應的空穴越多，反型層加寬，而耗盡層的寬度卻不再變化，這樣我們可以用VGS的大小控制導電溝道的寬度。
圖表7 P溝道增強型MOS管耗盡層及反型層形成示意圖
當VDS≠0時。導電溝道形成以后，D、S間加負向電壓時，那么在源極與漏極之間將有漏極電流ID流通，而且ID隨VDS而增，ID沿溝道產生的壓降使溝道上各點與柵極間的電壓不再相等，該電壓削弱了柵極中負電荷電場的作用，使溝道從漏極到源極逐漸變窄，如圖表7（1）所示。
當VDS增大到使VGD=VGS（即VDS=VGS-VGS（TH）），溝道在漏極附近出現預夾斷，如圖表7（2）所示。再繼續增大VDS，夾斷區只是稍有加長，而溝道電流基本上保持預夾斷時的數值，其原因是當出現預夾斷時再繼續增大VDS，VDS的多余部分就全部加在漏極附近的夾斷區上，故形成的漏極電流ID近似與VDS無關。
圖表8 P溝道增強型MOS管預夾斷及夾斷區形成示意圖
三、N溝道耗盡型場效應管原理
N溝道耗盡型MOS管的結構與增強型MOS管結構類似，只有一點不同，就是N溝道耗盡型MOS管在柵極電壓VGS=0時，溝道已經存在。這是因為N溝道是在制造過程中采用離子注入法預先在D、S之間襯底的表面、柵極下方的SiO2絕緣層中摻入了大量的金屬正離子，該溝道亦稱為初始溝道。
當VGS＝0時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道，所以只要有漏源電壓，就有漏極電流存在；當VGS＞0時，將使ID進一步增加；VGS＜0時，隨著VGS的減小，漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。對應ID＝0的VGS稱為夾斷電壓或閾值電壓，用符號VGS（off）或Up表示。
由于耗盡型MOSFET在VGS=0時，漏源之間的溝道已經存在，所以只要加上VDS，就有ID流通。如果增加正向柵壓VGS，柵極與襯底之間的電場將使溝道中感應更多的電子，溝道變厚，溝道的電導增大。
如果在柵極加負電壓（即VGS＜0），就會在相對應的襯底表面感應出正電荷，這些正電荷抵消N溝道中的電子，從而在襯底表面產生一個耗盡層，使溝道變窄，溝道電導減小。當負柵壓增大到某一電壓VGS（off）時，耗盡區擴展到整個溝道，溝道完全被夾斷（耗盡），這時即使VDS仍存在，也不會產生漏極電流，即ID=0。
圖表9 N溝道耗盡型MOS管結構（左）及轉移特性（右）示意圖
四、P溝道耗盡型場效應管原理
P溝道耗盡型MOS管的工作原理與N溝道耗盡型MOS管完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性也不同。
五、耗盡型與增強型MOS管的區別
耗盡型與增強型的主要區別在于耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時有導電溝道存在，而增強型MOS管只有在開啟后，才會出現導電溝道；兩者的控制方式也不一樣，耗盡型MOS管的VGS（柵極電壓）可以用正、零、負電壓控制導通，而增強型MOS管必須使得VGS>VGS（th）（柵極閾值電壓）才行。
由于耗盡型N溝道MOS管在SiO2絕緣層中摻有大量的Na+或K+正離子（制造P溝道耗盡型MOS管時摻入負離子），當VGS=0時，這些正離子產生的電場能在P型襯底中感應出足夠的電子，形成N型導電溝道；當VGS>0時，將產生較大的ID（漏極電流）；如果使VGS<0，則它將削弱正離子所形成的電場，使N溝道變窄，從而使ID減小。
這些特性使得耗盡型MOS管在實際應用中，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。
因此，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。
（一）MOS管重要特性
1、導通特性
導通的意義是作為開關，相當于開關閉合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就會導通，適用于源極接地時的情況（低端驅動），只需柵極電壓達到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就會導通，適用于源極接VCC時的情況（高端驅動）。
2、損失特性
不管是NMOS還是PMOS，導通后都有導通電阻存在，電流就會被電阻消耗能量，這部分消耗的能量叫做導通損耗。小功率MOS管導通電阻一般在幾毫歐至幾十毫歐左右，選擇導通電阻小的MOS管會減小導通損耗。
MOS管在進行導通和截止時，兩端的電壓有一個降落過程，流過的電流有一個上升的過程，在這段時間內，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，這稱之為開關損失。通常開關損失比導通損失大得多，而且開關頻率越快，損失也越大。
導通瞬間電壓和電流的乘積越大，構成的損失也就越大。縮短開關時間，可以減小每次導通時的損失；降低開關頻率，可以減小單位時間內的開關次數。這兩種辦法都可以減小開關損失。
3、寄生電容驅動特性
跟雙極性晶體管相比，MOS管需要GS電壓高于一定的值才能導通，而且還要求較快的導通速度。在MOS管的結構中可以看到，在GS、GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅動，理論上就是對電容的充放電。
對電容的充電需要一個電流，由于對電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會比較大。選擇/設計MOS管驅動時第一個要留意的是可提供瞬間短路電流的大小；第二個要留意的是，普遍用于高端驅動的NMOS，導通時需要柵極電壓大于源極電壓。
而高端驅動的MOS管導通時源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時柵極導通電壓要比VCC高4V或10V，而且電壓越高，導通速度越快，導通電阻也越小。
圖表10 4種MOS管特性比較示意圖
4、寄生二極管
漏極和源極之間有一個寄生二極管，即“體二極管”，在驅動感性負載（如馬達、繼電器）應用中，主要用于保護回路。不過體二極管只在單個MOS管中存在，在集成電路芯片內部通常是沒有的。
圖表11 寄生二極管位置示意圖
5、不同耐壓MOS管特點
不同耐壓的MOS管，其導通電阻中各部分電阻比例分布不同。如耐壓30V的MOS管，其外延層電阻僅為總導通電阻的29%，耐壓600V的MOS管的外延層電阻則是總導通電阻的96.5%。
不同耐壓MOS管的區別主要在于，耐高壓的MOS管其反應速度比耐低壓的MOS管要慢，因此，它們的特性在實際應用中也表現出了不一樣之處，如耐中低壓MOS管只需要極低的柵極電荷就可以滿足強大電流和大功率處理能力，除開關速度快之外，還具有開關損耗低的特點，特別適應PWM輸出模式應用；而耐高壓MOS管具有輸入阻抗高的特性，在電子鎮流器、電子變壓器、開關電源方面應用較多。
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