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MOS管工作原理电路图及结构分析

MOS管工作原理电路图及结构分析

MOS管工作原理图详解

MOS管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种。


对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小,且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS。下面的介绍中,也多以NMOS为主。


MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍。


在MOS管工作原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要。顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的。


MOS管工作原理图电源开关电路详解

这是该装置的核心,在介绍该部分工作原理之前,先简单解释一下MOS的工作原理图。

mos管工作原理图

它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS

MOS管,其内部结构见mos管工作原理图。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型,PNP型也叫P沟道型。由图可看出,对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上,同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管,其输出电流是由输入的电压(或称电场)控制,可以认为输入电流极小或没有输入电流,这使得该器件有很高的输入阻抗,同时这也是我们称之为场效应管的原因。

mos管工作原理图

为解释MOS管工作原理图,我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图所示,我们知道在二极管加上正向电压(P端接正极,N端接负极)时,二极管导通,其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时,N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端,而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动,从而形成导通电流。同理,当二极管加上反向电压(P端接负极,N端接正极)时,这时在P型半导体端为负电压,正电子被聚集在P型半导体端,负电子则聚集在N型半导体端,电子不移动,其PN结没有电流通过,二极管截止。

mos管工作原理图

对于MOS管(见图),在栅极没有电压时,由前面分析可知,在源极与漏极之间不会有电流流过,此时MOS管与截止状态(图a)。当有一个正电压加在N沟道的MOS管。


MOS管栅极上时,由于电场的作用,此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极,但由于氧化膜的阻挡,使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中(见图b),从而形成电流,使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟,栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁,该桥的大小由栅压的大小决定。图给出了P沟道的MOS管。

mos管工作原理图

MOS管工作原理图工作过程,其工作原理类似这里不再重复。

mos管工作原理图

下面简述一下用C-MOS场效应管(增强型MOS管)组成的应用电路的工作过程(见图)。电路将一个增强型P沟道MOS管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用。当输入端为低电平时,P沟道MOS管导通,输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时,N沟道MOS场效应管导通,输出端与电源地接通。在该电路中,P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作,其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响,使得栅压在还没有到0V,通常在栅极电压小于1到2V时,MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此,使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。

mos管工作原理图

由以上分析我们可以画出mos管工作原理图中MOS管电路部分的工作过程(见图)。工作原理同前所述。


MOS管应用电路

MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光。

现在的MOS驱动,有几个特别的需求:


1、低压应用

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