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  • 深度聊聊MOS管

    作者:admin   发布时间:2019-06-16 03:51   浏览:
    正文

    来源:EETOP 博客  作者:许欢

    链接:http://blog.eetop.cn/?1196765

    MOS 管行为半导体周围最基础的器件之一,不论是在 IC 设计里,照样板级电路答用上,都相等普及。现在尤其在大功率半导体周围,各栽组织的 MOS 管更是发挥着不可替代的作用。行为一个基础器件,往往集浅易与复杂与一身,浅易在于它的组织,复杂在于基于答用的深入考量。因此,行为硬件开发者,想在电路设计上进阶,搞懂 MOS 管是必不可少的一步,今天来聊聊。

    一、 MOS 管的半导体组织

    行为半导体器件,它的来源照样最原首的原料,掺杂半导体形成的 P 和 N 型物质。

    那么,在半导体工艺里,如何制造 MOS 管的?

    这就是一个 NMOS 的组织简图,一个望首来很浅易的三端元器件。详细的制造过程就像搭建积木相通,在必定的地基(衬底)上按照设计一步步“盖”首来。

    MOS 管的符号描述为:

    二、 MOS 管的做事机制

    以添强型 MOS 管为例,吾们先浅易来望下 MOS 管的做事原理。

    由上图组织吾们能够望到 MOS 管相通三极管,也是背靠背的两个PN结!三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区议定电子-空穴复相符来限制CE之间的导通,MOS 管则行使电场来在栅极形成载流子沟道来疏导DS之间。

    如上图,在开启电压不及时,N区和衬底P之间由于载流子的自然复相符会形成一个中性的耗尽区。给栅极挑供正向电压后,P区的少子(电子)会在电场的作用下荟萃到栅极氧化硅下,末了会形成一个以电子为众子的区域,叫逆型层,称为逆型由于是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。云云DS之间就导通了。

    下图是一个浅易的MOS管开启模拟:

    这是MOS管电流Id随Vgs转折弯线,开启电压为1.65V。下图是MOS管的IDS和VGS与VDS 之间的特性弯线图,相通三极管。

    下面吾们先从器件组织的角度望一下MOS管的开启全过程。

    1、Vgs 对MOS 管的开启作用

    必定周围内 Vgs>Vth,Vds

    Vgs 为常数。时,Vds 上升,Id 近似线性上升,外现为一栽电阻特性。

    Vds 为常数。时,Vgs 上升,Id 近似线性上升,外现出一栽压控电阻的特性。

    即弯线左边

    2、Vds对MOS管沟道的限制

    当 Vgs>Vth,Vds

    当 Vds>Vgs-Vth 后,吾们能够望到由于DS之间的电场最先导致右侧的沟道变窄,电阻变大。以是电流Id增补最先变缓慢。当Vds添大必定水平后,右沟道被十足夹断了!

    此时DS之间的电压都分布在挨近D端的夹断耗尽区,夹断区的添大即沟道宽度W减幼导致的电阻添大抵消,了Vds对Id的正向作用,因此导致电流Id几乎不再随Vds增补而转折。此时的D端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到S端!

    这个区域为 MOS 管的恒流区,也叫饱和区,放大区。

    但是由于有沟道调制效答导致沟道长度 L 有转折,以是弯线稍微上翘一点。

    重点备注:MOS 管与三极管的做事区定义不同。

    三极管的饱和区:输出电流 Ic 不随输入电流 Ib 转折。

    MOS 管的饱和区:输出电流 Id 不随输出电压 Vds 转折。

    3、 击穿

    Vgs 过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。

    Vds 过大会导致D和衬底之间的逆向PN结雪崩击穿,大电流直接流入衬底。

    三、 MOS 管的开关过程分析

    倘若要进一步晓畅MOS管的做事原理,剖析MOS管由截止到开启的全过程,必须竖立一个完善的电路组织模型,引入寄生参数。,如下图。

    详细开启过程为:

    t0~t1 阶段:栅极电流对Cgs和Cgd充电,Vgs上升到开启电压Vgs(th),此间,MOS异国开启,无电流议定,即MOS管的截止区。在这个阶段,隐晦Vd电压大于Vg,能够理解为电容 Cgd 上正下负。

    t1~t2 阶段:Vgs达到Vth后,MOS管最先逐渐开启至满载电流值Io,展现电流Ids,Ids与Vgs呈线性有关,这个阶段是MOS管的可变电阻区,或者叫线性区。

    t3~t4 阶段:渡过米勒平台后,即Cgd逆向充电达到Vgs,Vgs赓续提高至最后电压,这个电压值决定的是MOS管的开启阻抗Ron大幼。

    吾们能够议定仿真望下详细过程: 

    b: ZVS 零电压开关技术是能够清除米勒效答的,即在 Vds 为 0 时开启沟道,在大功率答用时较众。

    c: 栅极负电压驱行,增补设计成本。

    d: 有源米勒钳位。即在栅极增补三极管,关断时拉矮栅极电压。

    上面已经详细介绍了 MOS 管的做事机制,那么吾们再来望 datasheet 这些参数。就一现在了然了。

    极限值参数。代外答用时的最高周围,功耗和散炎是高功率答用时的重点。

    体二极管:

    在分立器件NMOS管中,S端清淡衬底,以是导致DS之间有一个寄生二极管。

    但是在集成电路内部,S端接矮电位或者高电位,纷歧定接衬底,以是就不存在寄生二极管。

    寄生二极管具有珍惜 MOS 管的作用,导出瞬休逆向的大电流。

    四、 MOS 管的驱行答用

    MOS 的驱行是答用设计的重点,接下来吾们聊聊有哪些驱脱手段和特点。

    4.1 直接驱行

    驱行芯片直接输出 PWM 波

    特点:驱行环路距离不克太远,否则由于寄生电感降矮开关速度和导致振铃。另外,清淡驱行器也难以挑供很大的驱行电流。

    4.2 推挽式驱行

    PWM 驱行议定推挽组织来驱行栅极

    特点:实现较幼的驱行环路和更大的驱行电流,栅极电压被钳位在 Vb Vbe 和 GND 与Vbe 之间。

    4.3 栅极驱行添速电路

    并联二极管能够分流,但是随着电压降矮,二极管逐渐失踪作用。

    4.4  PNP关断电路

    特点:PNP 在关断时形成短路放电,但是无法十足为 0,二极管 Don 能够钳位防止三极管击穿。

    五、 幼结

    以上也许详细介绍了MOS管这一半导体基础元器件的做事原理和答用,详细到做事中还必要的是实际测试和实验,稀奇是赓续在一些答用中,尤其是答用题目中添深理解。云云也许才能真切的把有关基础知识融入到本身的能力中,游刃众余的解决技术题目。搞技术嘛,和做人相通,从幼处做,去高处望。

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