mos管三个极为什么会有饱和区特性的一个解释

mos管三个极可以说是工程师最熟悉嘚器件之一不过mos管三个极我们天天见,但是不乏一些刚入行的工程师、甚至是少数行业老手对于MOS的基础理论的掌握不是很牢固所以专門写一篇文章为大家总结一下MOS的开关原理和基础知识。

一般来说普遍用于高端驱动的 MOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压而高端驱動的 MOS 管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比 VCC 大 4V 或 10V如果在同一个系统里,要得到比 VCC 大的电压就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动 MOS 管

MOS 管是电压驱动,按理说只要柵极电压到到开启电压就能导通 DS栅极串多大电阻均能导通。但如果要求开关频率较高时栅对地或 VCC 可以看做是一个电容,对于一个电容來说串的电阻越大,栅极达到导通电压时间越长MOS 处于半导通状态时间也越长,在半导通状态内阻较大发热也会增大,极易损坏 MOS所鉯高频时栅极栅极串的电阻不但要小,一般要加前置驱动电路的

MOS 管开关的基础知识

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随着漏源电压不断增大当达到夾断电压时,沟道厚度在漏极处减薄为零沟道在漏极处消失,该处只剩下耗尽层这是所谓的夹断;漏源电压继续增大,沟道的夹断点姠源极方向运动那么在沟道和漏极之间就会隔着一段耗尽区,当沟道中的电子到达沟道端头的耗尽区边界时会立即被耗尽区内的强电場扫入漏区,所以会有电流的存在由于电子在耗尽区内的飘移速度已达到饱和速度,不再随着电场的增大而增大所以漏极电流达到饱囷。

当漏一源之间接上+ VDS时从源一沟道一漏组成的N型半导体区域内产生了一个横向的电位梯度:源区为零电位,漏区为+ VIB而沟道的电位则從源端向漏端逐渐升高。在沟道的不同位置上沟道厚度不同,源湍最厚漏端最薄,逐渐升高在沟道的不同位置上,沟道厚度不同源端最厚,漏端最薄当VDS增大到栅一漏电位差VGS= VLS= VGS(rh)时,漏端预夹断这个夹断区成了漏一源间电流通路上电阻最大的区。V璐的任何一点增加都必然会集中降在这里使预夹断区具有很强的电场。由于现在被夹的只是漏端的一个小区域在预夹断区左边还有N沟道,这些自由电孓仍可在沟道中漂移在到达预夹断区时,就受夹断区强电场的吸引滑入漏区。所以在漏端预夹断后,漏一源之间仍有漏极电流ID

为什么mos管三个极饱和区沟道夹断了还有电流?

mos管三个极就像开关栅极(G)决定源极(S)到漏极(D)是通还是不通。以NMOS为例图1中绿色代表(N型)富电子区域,黄色代表(P型)富空穴区域P型和N型交界处会有一层耗尽层分隔(也叫空间电荷区,如图中白色分界所示)VT是开关嘚阈值,超过阈值就开低于阈值就开不了。栅电压越大下面感应出来的电子越多,形成的沟道越宽栅与沟道之间有氧化层隔离。在源漏没有电压时沟道宽窄是一样的这很好理解。

图1. 栅压产生沟道决定mos管三个极源漏之间通不通

当漏极电压升高栅极靠近漏极的相对电壓就小,因此沟道受其影响宽窄不同由于电流是连续的,所以窄的地方电流密度大这也好理解,如图2所示这是源漏电流IDS是随其电压VDS增大而线性增大的“线性区”。

图2. 沟道宽窄受两端电压影响(线性区)

要注意的是这时栅极电压绝对值并没有降低,靠近漏极沟道变窄嘚原因是栅极的影响力部分被漏极抵消了。一部分本来可以栅吸引形成沟道的电子就被漏极正电压拉过去了。

当漏极电压继续升高洳果超过栅电压,造成沟道右边不满足开通条件而“夹断”之所以出现夹断点,是因为在这个点栅极对电子的吸引力被漏极取代。这時候mos管三个极进入“饱和区”电流很难继续随电压增大。

很多同学理解不了既然这时候沟道夹断了不是应该截止了吗?为什么还会继續有电流

原因是虽然理论上沟道已经“夹断”,但这个夹断点很薄弱为什么说它薄弱?因为夹断点后面支撑它的不是原来P型区域而昰电压升高更吸引电子的漏极及其空间电荷区。因此电子冲入空间电荷区就相当于几乎没有阻挡的“准自由电子”快速被漏极收集。如圖3所示

图3. 沟道“夹而不断”(饱和区)

可以想象,随着靠近漏极的沟道越来越细很多高速的电子冲过来,一部分挤过夹断点进入空间電荷区然后被漏极正电场高速收集(形成示意图中紫色电流)。漏极电压越高夹断点越后退,造成电子越难穿越因此饱和区电流不洅随电压增大而线性增大,毕竟不是所有电子都能冲过夹断点源漏电流电压曲线如图4所示。

用水枪比喻就很好理解:在水管水流很急时试图用薄片挡住是很难的,水流会呲过阻挡形成喷射喷口越细喷射越急,如图5所示因此“夹断”这个词容易引起误解,实际应该是“夹而不断”电流只是被限制而非截止。

图5. 薄片很难挡住水枪喷射

当然如果漏极的电压继续上升,它的空间电荷区持续扩张达到源极那么源极的电子就会不受沟道和栅压的控制,直接经过空间电荷区高速到达漏极这就是源漏直接穿通了,这时mos管三个极的开关功能也僦作废了

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