深度详解MOS管的半导体结构与驱动应用

MOS 管的半导体结构

MOS 管作为半导体领域最基础的器件之一，无论是在IC 设计里，还是板级电路应用上，都十分广泛。

目前尤其在大功率半导体领域，各种结构的 MOS 管更是发挥着不可替代的作用。作为一个基础器件，往往集简单与复杂与一身，简单在于它的结构，复杂在于基于应用的深入考量。

因此，作为硬件开发者，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 管的半导体结构

作为半导体器件，它的来源还是最原始的材料，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 的结构简图，一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样，在一定的地基（衬底）上依据设计一步步“盖”起来。

MOS 管的符号描述为：

二、 MOS 管的工作机制

以增强型 MOS 管为例，我们先简单来看下 MOS 管的工作原理。

由上图结构我们可以看到 MOS 管类似三极管，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通过电子-空穴复合来控制CE之间的导通，MOS 管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通DS之间。

如上图，在开启电压不足时，N区和衬底P之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。

给栅极提供正向电压后，P区的少子（电子）会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在P型衬底区形成了一个N型沟道区。这样DS之间就导通了。

下图是一个简单的MOS管开启模拟：

这是MOS管电流Id随Vgs变化曲线，开启电压为1.65V。下图是MOS管的IDS和VGS与VDS 之间的特性曲线图，类似三极管。

下面我们先从器件结构的角度看一下MOS管的开启全过程。

1、Vgs 对MOS 管的开启作用

一定范围内 Vgs》Vth，Vds

Vgs 为常数时，Vds 上升，Id 近似线性上升，表现为一种电阻特性。

Vds 为常数时，Vgs 上升，Id 近似线性上升，表现出一种压控电阻的特性。

即曲线左边

2、Vds对MOS管沟道的控制

当Vgs》Vth，Vds

当Vds》Vgs-Vth后，我们可以看到因为DS之间的电场开始导致右侧的沟道变窄，电阻变大。所以电流Id增加开始变缓慢。当Vds增大一定程度后，右沟道被完全夹断了！

此时DS之间的电压都分布在靠近D端的夹断耗尽区，夹断区的增大即沟道宽度W减小导致的电阻增大抵消了Vds对Id的正向作用，因此导致电流Id几乎不再随Vds增加而变化。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。

但是因为有沟道调制效应导致沟道长度 L 有变化，所以曲线稍微上翘一点。

重点备注：MOS 管与三极管的工作区定义差别

三极管的饱和区：输出电流 Ic 不随输入电流 Ib 变化。

MOS 管的饱和区：输出电流 Id 不随输出电压 Vds 变化。

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和衬底之间的反向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

如果要进一步了解MOS管的工作原理，剖析MOS管由截止到开启的全过程，必须建立一个完整的电路结构模型，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没有开启，无电流通过，即MOS管的截止区。在这个阶段，显然Vd电压大于Vg，可以理解为电容 Cgd 上正下负。

t1~t2 阶段：Vgs达到Vth后，MOS管开始逐渐开启至满载电流值Io，出现电流Ids，Ids与Vgs呈线性关系，这个阶段是MOS管的可变电阻区，或者叫线性区。

t2~t3阶段：在MOS完全开启达到电流Io后，栅极电流被完全转移到Ids中，导致Vgs保持不变，出现米勒平台。在米勒平台区域，处于MOS管的饱和区，或者叫放大区。

在这一区域内，因为米勒效应，等效输入电容变为（1+K）Cgd。

米勒效应如何产生的：

在放大区的 MOS管，米勒电容跨接在输入和输出之间，为负反馈作用。具体反馈过程为：Vgs 增大》mos开启后Vds开始下降》因为米勒电容反馈导致Vgs 也会通过Cgd放电下降。这个时候，因为有外部栅极驱动电流，所以才会保持了Vgs 不变，而Vds还在下降。

t3~t4阶段：渡过米勒平台后，即Cgd反向充电达到Vgs，Vgs继续升高至最终电压，这个电压值决定的是MOS管的开启阻抗Ron大小。

我们可以通过仿真看下具体过程：

由上面的分析可以看出米勒平台是有害的，造成开启延时，不能快速进入可变电阻区，导致损耗严重，但是这个效应又是无法避免的。

目前减小 MOS 管米勒效应的几种措施：

a：提高驱动电压或者减小驱动电阻，目的是增大驱动电流，快速充电。但是可能因为寄生电感带来震荡问题。

b： ZVS 零电压开关技术是可以消除米勒效应的，即在 Vds 为 0 时开启沟道，在大功率应用时较多。

c： 栅极负电压驱动，增加设计成本。

d： 有源米勒钳位。即在栅极增加三极管，关断时拉低栅极电压。

四、MOS 管的驱动应用

上面已经详细介绍了 MOS 管的工作机制，那么我们再来看 datasheet 这些参数就一目了然了。

极限值参数代表应用时的最高范围，功耗和散热是高功率应用时的重点。

功率应用中尤其考虑导通电阻、米勒电容等，高速应用中重点考虑寄生电容。

漏电流的参数一般影响的是大规模集成芯片的功耗。

反向恢复时间是一个重要参数，它表示 MOS 管由开启到截止的恢复时间，时间太长会极大影响速度和功耗。

体二极管：

在分立器件NMOS管中，S端一般衬底，所以导致DS之间有一个寄生二极管。

但是在集成电路内部，S端接低电位或者高电位，不一定接衬底，所以就不存在寄生二极管。

寄生二极管具有保护 MOS 管的作用，导出瞬间反向的大电流。

MOS 的驱动是应用设计的重点，接下来我们聊聊有哪些驱动方式和特点。

4.1 直接驱动

驱动芯片直接输出 PWM 波

特点：驱动环路距离不能太远，否则因为寄生电感降低开关速度和导致振铃。另外，一般驱动器也难以提供很大的驱动电流。

4.2 推挽式驱动

PWM 驱动通过推挽结构来驱动栅极

特点：实现较小的驱动环路和更大的驱动电流，栅极电压被钳位在 Vb+Vbe 和 GND 与Vbe 之间。

4.3 栅极驱动加速电路

并联二极管可以分流，但是随着电压降低，二极管逐渐失去作用。

4.4 PNP关断电路

特点：PNP 在关断时形成短路放电，但是无法完全为 0，二极管 Don 可以钳位防止三极管击穿。

五、小结

以上大概详细介绍了MOS管这一半导体基础元器件的工作原理和应用，具体到工作中还需要的是实际测试和实验，特别是不断在一些应用中，尤其是应用问题中加深理解。这样或许才能真正的把相关基础知识融入到自己的能力中，游刃有余的解决技术问题。搞技术嘛，和做人一样，从小处做，往高处看。

参考：

Power MOSFET Avalanche Guideline----SungmoYoung， Application Engineer

Analysis of dv/dt Induced Spurious Turn-onof MOSFET

Prediction of MOS switching-off loss basedon parameters of datasheet

Power MOS FET Application Note

Design And Application Guide for HighSpeedMOSFET Gate Drive Circuits
编辑：lyn