EEPW论坛

一、MOS管概述MOS管，即金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor），广泛应用于电子设备的放大、开关和驱动电路中。它由美国贝尔实验室的工程师John Atalla（约翰·阿塔拉）和Dawon Kahng（江大原）于1959年发明。在研究热生长硅氧化层时，他们发现金属层（M–栅）、氧化层（O–绝缘）和硅层（S–半导体）结构中的“表面态”在硅和氧化物交接处大幅降低，使得加在栅上的电场能通过氧化层影响硅层，由此得名MOS。

MOSFET分为增强型（Enhancement）和耗尽型（Depletion）两大类，且每一类又包含NMOS和PMOS。

二、增强型与耗尽型MOS管的区分导通条件增强型MOSFET：当NMOS管满足Ugs > Ugs(th)，或PMOS管满足Ugs < Ugs(th)时才能导通，在电路设计中通常作为开关管使用。耗尽型MOSFET：当Ugs = 0V时就能正常导通，在电路设计中应用较少。符号特征增强型MOS管：符号中间的线为虚线。耗尽型MOS管：符号中间的线为实线。

三、如何区分NMOS和PMOS？

NMOS与PMOS区分： 如图2中箭头指向，箭头指向G极的为NMOS，箭头背向G极的为PMOS。

【N的箭头想大哥G，P的箭头不想大哥G】

寄生二极管方向，NMOS的寄生二极管由S极指向D极，PMOS的寄生二极管由D极指向S极，即箭头朝向一样。

实物MOS管可通过万用表的二极管档来测试DS或SD的电压，判断是NMOS还是PMOS。

不管NMOS管还是PMOS管，都是1脚栅极G，2脚源极S，3脚漏极D。

【NMOS管作为开关电路时，在电路上可以用NPN三极管替换，管脚是对应上。】

NMOS：

PMOS：

通常电流方向：NMOS通常是漏极D流向源极S，PMOS是源极S流向漏极D。但mos管是可以双向导通的，如增强型PMOS管，Ugs压大于二极管电压时）。

四、寄生二极管

以NMOS为例，NMOS管是以P型半导体为衬底，在上面挖出两个沟槽，然后填充掺杂浓度比较高的N型半导体，形成下面这种结构。

MOS管内部结构相关要点原本在MOS管结构中，衬底和源极（S极）、衬底和漏极（D极）之间都存在PN结。不过由于在实际应用中，通常将源极和衬底连接在一起，这样一来，就只剩下漏极与衬底之间形成了PN结，这个由衬底与漏极之间PN结所形成的二极管就是体二极管。需要注意的是，在集成电路里的MOS管不存在寄生二极管，这主要得益于先进的制造工艺，在工艺层面解决了体二极管带来的相关问题。而对于分立MOS管，其体二极管电压存在不同情况，很多分立MOS管的体二极管电压约为0.7V，也有部分为1点多伏。MOS管与三极管特性对比控制方式差异三极管：三极管是电流控制电流型器件。它通过基极电流（Ib）来控制集电极电流（Ic），即集电极电流的大小会随着基极电流的变化而变化，二者存在一定的电流放大关系，其电流放大倍数用β表示，Ic = β×Ib 。MOS管：MOS管是电压控制电流型器件。它利用栅源电压（Ugs）来控制漏极电流（Id），当栅源电压达到一定阈值后，漏极电流会随着栅源电压的变化而显著改变，通过改变栅源电压可以精确地控制漏极电流的大小。特性曲线体现三极管特性曲线：三极管的输出特性曲线是一组以基极电流Ib为参变量的曲线族，它清晰地展示了在不同基极电流下，集电极电流Ic与集电极 - 发射极电压Uce之间的关系。从特性曲线可以看出，三极管在不同的工作区域（截止区、放大区、饱和区）有着不同的电流控制特性，在放大区，Ic与Ib呈现出近似线性的放大关系。

MOS管特性曲线：MOS管的输出特性曲线是以栅源电压Ugs为参变量的曲线族，它反映了漏极电流Id随漏极 - 源极电压Uds的变化情况。在不同的栅源电压下，MOS管也会表现出不同的工作状态，当Ugs小于阈值电压Ugs(th)时，MOS管处于截止区，漏极电流Id几乎为零；当Ugs大于阈值电压后，随着Uds的增加，MOS管依次进入可变电阻区和恒流区，在恒流区，Id主要受Ugs控制，而与Uds关系不大。

对于N沟道增强型的MOS管，当Ugs>Ugs(th)时，MOS就会开始导通，如果在D极和S极之间加上一定的电压，就会有电流Id产生。

在一定的Uds下，D极电流Id的大小是与G极电压Ugs有关的。

我们先来看一下MOS管的输出特性曲线，MOS管的输出特性可以分为三个区：截止区、恒流区、可变电阻区、击穿区。

截止区：

截止区：当满足Ugs截止区在输出特性最下面靠近横坐标的部分，表示MOS管不能导电，处在截止状态。

截止区也叫夹断区，在该区时沟道全部夹断，电流Id为0，管子不工作。

note：对应三极管的截止区。

饱和区（也叫横流区）：

饱和区：当满足Ugs≥Ugs(th)，且Uds≥Ugs-Ugs(th)，MOS管进入恒流区。

饱和区在输出特性曲线中间的位置，电流Id基本不随Uds变化，Id的大小主要决定于电压Ugs，所以也叫做恒流区。

当MOS用来做放大电路时，就是工作在饱和区（恒流区）。

note：对应三极管的放大区。

可变电阻区：

可变电阻区：当满足Ugs>Ugs(th)，且Uds，MOS管进入可变电阻区。

可变电阻区在输出特性的最左边，Id随着Uds的增加而上升，两者基本上是线性关系，所以可以看作是一个线性电阻。

当Ugs不同时，电阻的阻值就会不同，所以在该区MOS管相当就是一个由Ugs控制的可变电阻。

note：对应三极管的饱和区

击穿区在输出特性左边区域，随着Uds增大，PN结承受太大的反向电压而被击穿，工作时应该避免让管子工作在该区域。

击穿区：

随着Vds的增大，可能会达到一个点，使得MOSFET因Uds过大而被击穿损坏，这个区域称为击穿区。

在实际工作中，应该避免让MOSFET工作在这个区域。

六、封装

SOT-23：通用小信号三极管、LDO、MOSFET，如 MMBT3904, AO3400, XC6206；

SOT-323：高密度PCB的射频放大器、低功耗LDO，如BFU590, TLV702；

SOT-523：可穿戴设备、微型传感器  ，如助听器音频管、耳机；

SOT-723：超微型模块、医疗植入设备，极少用，定制为主；

成本：

SOT-23：最便宜（批量价¥0.05-0.1）

SOT-323：价格相当，略高10-20%

SOT-523/723：成本上升30-50%（工艺难度增加）

七、MOS管的BVDSS

7.1 BVDSS定义

BVDSS漏源击穿电压（英文：Breakdown Voltage Drain-source），当漏源电压超过这个击穿电压时，MOS 管的漏源之间将发生击穿现象，导致器件无法正常工作甚至损坏。

其是在栅极和源极(Vgs=0V)短接时，漏极和源极之间能承受的最大反向电压，也就是规格书里参数VDSS电压。

7.2 BVDSS测试条件

栅极和源极(Vgs=0V)短接；

漏电流Id=250uA。

note：规格书中的所有MOS管参数都是有测试条件的。

八、MOS管的寄生电容

NMOS管规格书的寄生电容参数：

Ciss=Cgs+Cgd，输入电容，把栅极电压抬起来要花多少电荷。

Coss=Cds+Cgd，输出电容，漏极对地看到的电容。

Crss=Cgd，反向传输电容，又叫弥勒电容。

米勒系数为Crss/Ciss，米勒系数越小，米勒效应越弱。

（Ciss并非是一个固定不变的电容，因为米勒电容Cgd会随着漏源电压Vds的增大而显著减小。）

九、MOS管的SOA曲线

Rds(on)限制线；

电流限制线；

功率限制线；

热稳定性限制线；

击穿电压限制线，由漏源击穿电压BVDSS限制的。

Vgs(th)阈值电压测试

Id=250μA和Id=1mA都是业界常见的测试条件，具体取决于器件类型和制造商规范，在JEDEC JEP183等标准并没有强制规范。

具体测试电路如图13所示。

Vgs(th)电压从0V往上增加，直到Id电流为250uA或1mA时的Vgs电压，就把该值作为Vgs(th)电压。

note：Vgs(th)阈值电压是负温度系数，温度越高Vgs(th)会变低些。

gfs跨导

gfs低频跨导，全称Forward Transfer Admittance（正向转移导纳） / Transconductance（跨导）。

Vds为常数时，D极电流的微变量与引起这个变化的Vgs电压微变量之比。

表征栅极电压对漏极电流的控制效率。gfs值越大，说明栅极电压控制电流的能力越强。

单位是西门子(S)。

例如gfs=0.12S(120mS)，表示Vgs变化1V，那么漏电流会增加0.12A。

图14 gfs跨导

gfs(跨导)过小会导致MOS管关断速度降低。

gfs(跨导)过大会导致MOS管关断速度过快，容易出现EMI问题