MOS管種類與MOS管最全知識(shí)圖文分享-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2021-02-22
MOS管種類:MOS管是FET的一種（另一種為JFET結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管），主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：N溝道型和P溝道型；又根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)原理的不同，分為耗盡型（當(dāng)柵壓為零時(shí)有較大漏極電流）和增強(qiáng)型（當(dāng)柵壓為零，漏極電流也為零，必須再加一定的柵壓之后才有漏極電流）兩種。
因此，MOS管可以被制構(gòu)成P溝道增強(qiáng)型、P溝道耗盡型、N溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型4種類型產(chǎn)品。MOS管具有輸入阻抗高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗小、易于集成等優(yōu)勢(shì)，在開(kāi)關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、高頻感應(yīng)加熱、高頻逆變焊機(jī)、通信電源等高頻電源領(lǐng)域得到了越來(lái)越普遍的應(yīng)用。
每一個(gè)MOS管都提供有三個(gè)電極：Gate柵極（表示為“G”）、Source源極（表示為“S”）、Drain漏極（表示為“D”）。接線時(shí)，對(duì)于N溝道的電源輸入為D，輸出為S；P溝道的電源輸入為S，輸出為D；且增強(qiáng)型、耗盡型的接法基本一樣。
從結(jié)構(gòu)圖可發(fā)現(xiàn)，N溝道型場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極接在N型半導(dǎo)體上，而P溝道型場(chǎng)效應(yīng)管的源極和漏極則接在P型半導(dǎo)體上。場(chǎng)效應(yīng)管輸出電流由輸入的電壓（或稱場(chǎng)電壓）控制，其輸入的電流極小或沒(méi)有電流輸入，使得該器件有很高的輸入阻抗，這也是MOS管被稱為場(chǎng)效應(yīng)管的重要原因。
在MOS管的工作原理中可以看出，MOS管的柵極G和源極S之間是絕緣的，由于SiO2絕緣層的存在，在柵極G和源極S之間等效是一個(gè)電容存在，電壓VGS產(chǎn)生電場(chǎng)從而導(dǎo)致源極-漏極電流的產(chǎn)生。此時(shí)的柵極電壓VGS決定了漏極電流的大小，控制柵極電壓VGS的大小就可以控制漏極電流ID的大小。
這就可以得出如下結(jié)論：
1.MOS 管是一個(gè)由改變電壓來(lái)控制電流的器件，所以是電壓器件。
2.MOS 管道輸入特性為容性特性，所以輸入阻抗極高。
1.導(dǎo)通特性
導(dǎo)通的意義是作為開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。NMOS的特性，VGS大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只需柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。PMOS的特性是，VGS小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適用于源極接VCC時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。
2.損失特性
不管是NMOS還是PMOS，導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在，電流就會(huì)被電阻消耗能量，這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾毫歐至幾十毫歐左右，選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗。
MOS管在進(jìn)行導(dǎo)通和截止時(shí)，兩端的電壓有一個(gè)降落過(guò)程，流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程，在這段時(shí)間內(nèi)，MOS管的損失是電壓和電流的乘積，這稱之為開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多，而且開(kāi)關(guān)頻率越快，損失也越大。
導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積越大，構(gòu)成的損失也就越大。縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失；降低開(kāi)關(guān)頻率，可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
3.寄生電容驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通，而且還要求較快的導(dǎo)通速度。在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到，在GS、GD之間存在寄生電容，而MOS管的驅(qū)動(dòng)，理論上就是對(duì)電容的充放電。
對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，由于對(duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一個(gè)要留意的是可提供瞬間短路電流的大小；第二個(gè)要留意的是，普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS，導(dǎo)通時(shí)需要柵極電壓大于源極電壓。
而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓（VCC）相同，所以這時(shí)柵極導(dǎo)通電壓要比VCC高4V或10V，而且電壓越高，導(dǎo)通速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。
三極管全稱為半導(dǎo)體三極管，它的主要作用就是將微小的信號(hào)中止放大。MOS管與三極管有著許多相近的地方，也有許多不同之處。
首先是開(kāi)關(guān)速度的不同。三極管工作時(shí)，兩個(gè)PN結(jié)都會(huì)感應(yīng)出電荷，當(dāng)開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，三極管處于飽和狀態(tài)，假設(shè)這時(shí)三極管截至，PN結(jié)感應(yīng)的電荷要恢復(fù)到平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程需求時(shí)間。而MOS由于工作方式不同，不需要恢復(fù)時(shí)間，因此可以用作高速開(kāi)關(guān)管。
其次是控制方式不同。MOS管是電壓控制元件，而三級(jí)管是電流控制元件。在只允許從信號(hào)源取較少電流的情況下，應(yīng)選用MOS管；而在信號(hào)電壓較低，又允許從信號(hào)源取較多電流的條件下，應(yīng)選用三極管。
接著是載流子種類數(shù)量不同。電力電子技術(shù)中提及的單極器件是指只靠一種載流子導(dǎo)電的器件，雙極器件是指靠?jī)煞N載流子導(dǎo)電的器件。MOS管只應(yīng)用了一種多數(shù)載流子導(dǎo)電，所以也稱為單極型器件；而三極管是既有多數(shù)載流子，也應(yīng)用少數(shù)載流子導(dǎo)電；是為雙極型器件。
第三是靈活性不同。有些MOS管的源極和漏極可以互換運(yùn)用，柵壓也可正可負(fù)，靈活性比三極管好。
第四是集成能力不同。MOS管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很方便地把很多MOS管集成在一塊硅片上，因此MOS管在大范圍集成電路中得到了普遍的應(yīng)用。
第五是輸入阻抗和噪聲能力不同。MOS管具有較高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，特別用MOS管做整個(gè)電子設(shè)備的輸入級(jí)，可以獲得普通三極管很難達(dá)到的性能。
最后是功耗損耗不同。同等情況下，采用MOS管時(shí)，功耗損耗低；而選用三極管時(shí)，功耗損耗要高出許多。
當(dāng)然，在使用成本上，MOS管要高于三極管，因此根據(jù)兩種元件的特性，MOS管常用于高頻高速電路、大電流場(chǎng)所，以及對(duì)基極或漏極控制電流比較敏感的中央?yún)^(qū)域；而三極管則用于低成本場(chǎng)所，達(dá)不到效果時(shí)才會(huì)考慮替換選用MOS管。
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和功率晶體管（GTR）的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。
GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。
常見(jiàn)的IGBT又分為單管和模塊兩種，單管的外觀和MOS管有點(diǎn)相像，常見(jiàn)生產(chǎn)廠家有富士電機(jī)、仙童半導(dǎo)體等，模塊產(chǎn)品一般為內(nèi)部封裝了數(shù)個(gè)單個(gè)IGBT，由內(nèi)部聯(lián)接成適合的電路。
由于IGBT原理為先開(kāi)通MOS管，再驅(qū)動(dòng)三極管開(kāi)通，該原理決定了IGBT的開(kāi)關(guān)速度比MOS管慢，但比三極管快。制造成本上，IGBT要比MOS管高很多，這是因?yàn)镮GBT的制作多了薄片背面離子注入、薄片低溫退火（如激光退火）工序，而這兩個(gè)工序都需要專門針對(duì)薄片工藝的昂貴機(jī)臺(tái)。
在低壓下，低壓MOS管的導(dǎo)通壓降通常都控制在0.5V以下（基本不會(huì)超過(guò)1V的），比如IR4110低壓MOS管，其內(nèi)阻為4mΩ，給它100A的導(dǎo)通電流，導(dǎo)通壓降是0.4V左右。
電流導(dǎo)通壓降低，意味著導(dǎo)通損耗小，同時(shí)兼具開(kāi)關(guān)損耗小的特性，因此，IGBT相對(duì)MOS管在電性能沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，加上在性價(jià)比上MOS管更具優(yōu)勢(shì)，所以基本上看不到低壓IGBT。
MOS管的最大劣勢(shì)是隨著耐壓升高，內(nèi)阻迅速增大，所以高壓下內(nèi)阻很大，致使MOS管不能做大功率應(yīng)用。
在高壓領(lǐng)域，MOS管的開(kāi)關(guān)速度仍是最快的，但高壓下MOS管的導(dǎo)通壓降很大（內(nèi)阻隨耐壓升高而迅速升高），即便是耐壓600V的COOLMOS管，導(dǎo)通電阻可高達(dá)幾歐姆，致使耐流很小。
而IGBT在高耐壓下，導(dǎo)通壓降幾乎沒(méi)明顯增大（IGBT的導(dǎo)通電流通過(guò)三極管處理），所以高壓下IGBT優(yōu)勢(shì)明顯，既有高開(kāi)關(guān)速度，又有三極管的大電流特性；另外，在新一代IGBT產(chǎn)品中，開(kāi)關(guān)速度高（納秒級(jí)），導(dǎo)通壓降、開(kāi)關(guān)損耗等也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，使得IGBT耐脈沖電流沖擊力更強(qiáng)，且耐壓高、驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)更加突出。
在需要耐壓超過(guò)150V的使用條件下，MOS管已經(jīng)基本沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。以典型的IRFS4115與第四代IGBT型SKW30N60對(duì)比中，在150V、20A連續(xù)工況下運(yùn)行，前者開(kāi)關(guān)損耗為6mJ/pulse，而后者只有1.15mJ/pulse，不足前者的1/5；若用極限工作條件，二者功率負(fù)荷相差將更懸殊。
目前，諸如冶金、鋼鐵、高速鐵路、船舶等有大功率需求的領(lǐng)域已較少見(jiàn)到MOS管，而是廣泛應(yīng)用IGBT元器件。
總的來(lái)說(shuō)，IGBT更適用于高壓、大電流、低頻率（20KHZ左右）場(chǎng)所，電壓越高，IGBT越有優(yōu)勢(shì)，在600v以上，IGBT的優(yōu)勢(shì)非常明顯；而MOSFET更適用于低電壓、小電流、低頻率（幾十KHz~幾MHz）領(lǐng)域，電壓越低，MOS管越有優(yōu)勢(shì)。
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