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凡亿专栏 | 从PN结到MOS管-一文学会俩大无源器件
从PN结到MOS管-一文学会俩大无源器件

MOS管现在做开关最多,就是可以G和S之间的电压来控制DS极的开闭。一般经验是这样做:PMOS放在高端,就是正电位的地方,NMOS就是低端开关,靠近GND的地方。MCU控制的地方是G点(太色情了):NMOS一般是高电位,PMOS是低电位。以上是我个人学习的总结,接下来就写一点原理的东西,我也没有学过这个课,但是感觉蛮简单的。半导体的世界就是PN结,P是空穴,正电子,N是电子,负电荷。da7fc12703486dae66abed3fa65258.jpgPN结,也就是P指向N,就是电流方向两种半导体在外加电场的情况下,会作定向运动。这种运动称为电子与空穴(统称“载流子”)的“漂移运动”,并产生“漂移电流”。和我们学的相符合,电场可以加速电子。这是外部的原因,看看内部的情况:P型、N型半导体由于分别含有较高浓度的“空穴”和自由电子,存在浓度梯度,所以二者之间将产生扩散运动。即:

  1. 自由电子由N型半导体向P型半导体的方向扩散

  2. 空穴由P型半导体向N型半导体的方向扩散


很明显,这样的漂移把内部这种浓度给削弱了,而且是互相的:载流子经过扩散的过程后,扩散的自由电子和空穴相互结合,使得原有的N型半导体的自由电子浓度减少,同时原有P型半导体的空穴浓度也减少。在两种半导体中间位置形成一个由N型半导体指向P型半导体的电场,称为“内电场”。d87a759739e4451be81910b33daa95.jpg也就是左右互相移动,最后中间这个接触区域,都中和了,没了,就叫耗尽层。好,现在外部干预一下,在正向偏置电压的外电场作用下,N区的电子与P区的空穴被推向PN结。这降低了耗尽区的耗尽宽度。这降低了PN结的电势差(即内在电场)。随着正向电压的增加,耗尽区最终变得足够薄以至于内电场不足以反作用抑制多数载流子跨PN结的扩散运动,因而降低了PN结的电阻。跨过PN结注入P区的电子将扩散到附近的电中性区。所以PN结附近的电中性区的少数载流子的扩散量确定了二极管的正向电流。是不是听不懂了?可以把 P区和N区 想成两个水池,中间的PN结就像是一堵挡水的堤坝,而这个堤坝叫“耗尽区”,它本身就像是一个天然的屏障,阻止水(载流子)自由流动。当我们在PN结上加正向电压(P区接正,N区接负),相当于在堤坝两边加了“水压”:

  1. N区的电子(多数载流子) 被电压推向PN结;

  2. P区的空穴(也是多数载流子)也被推向PN结;

这时候,原本挡在中间的 耗尽区(堤坝)被挤压、变窄了。

PN结里原本有个“内建电场”,就像堤坝的阻力,防止电子和空穴自由乱跑。

但是你现在给它加了一个正向电压,就等于给它施加一个相反方向的电场,这样就把堤坝的力量削弱了,甚至可能不够阻挡电子了。

这样做的结果是什么?

  1. 电子就能穿过PN结跑到P区;

  2. 空穴也能穿过PN结跑到N区;

它们进入对方的“领地”后,就开始在那边“扩散”;不过这个扩散很快会被复合掉(电子遇到空穴就消失),所以真正决定电流大小的,其实是它们刚进入对方区域、还没复合时能扩散出去的“距离”。加了正向电压,耗尽区变薄,PN结像是“放行”了一样;电流的大小主要由少数载流子在电中性区的扩散能力决定;正向电压越高,扩散越快,电流就越大,这个也是和我们的直觉相符合的。哎呀呀,太简单啦!那我们反过来建立这个电场怎么样?那就是反向偏置!PN结就像是两边有人站着的门口:

  1. P区:主要是空穴(正电的“人”)

  2. N区:主要是电子(负电的“人”)

中间有个“门槛”(耗尽区),一开始就已经拦着大部分人不让过。这个时候反加电压呢?也就是说你让 N区的电压高,P区的电压低,那么情况就变了:

  1. P区的空穴被电场“拉”走,远离PN结;

  2. N区的电子也被拉走,远离PN结;

  3. 中间的“门槛”反而被“拉高”了,变得更宽、更难翻过去。

就像你在门口两边都设置了保安,还往后拉人,根本没人能轻松过去。图文不符合。这就是导致了:大部分电流都被阻断了,几乎等于“断路”;但还是会有一小股偷偷溜过的人——这些人就是“少数载流子”:

  1. P区里本来没几个电子,它们是“稀客”;

  2. N区里也没几个空穴,也是“稀客”;

这些稀客可能会“刚好靠近结区”,在热运动中悄悄跑过去。这时候出现了一种非常微弱的电流,叫做 反向饱和电流;它是因为 热运动   少数载流子扩散 造成的;它的大小几乎不随你加多大反向电压而变化(所以叫“饱和”,也因为电场的原因,不太多);它的值超级小,一般是 10⁻¹² ~ 10⁻¹⁸ 安培,几乎可以忽略。3967152191cdd4650034970cd3ac0a.jpg我们一般使用的二极管就是这俩个情况,知道这里面的载流子是谁很重要。现在才开始看我们的主角,MOS管,我就是盗图狗,直接盗图去了。f2b843763d26adb277b18242d82712.jpg最一开始的模型就是这样,一个P的板子上面有两个N,交界面形成了两个PN结。N型带负电,P带正电。6349cb15a30d35677865d721b6ad82.jpg这样接的时候,就是正偏,导通了41a449931cfdcb4c27c18b2a6a9cf8.jpg现在换一个方向就是反偏了,电子动不了 f6b999564857d1e638a2a5943d3578.jpgP ,N-,记住这个就好了ad50b270472e8445ec07ad0498325c.jpg

然后给上面的N半导体接个电极,叫D和S47556b0be3527b53ea4afff0858ba2.jpg这个时候怎么接都是被一个二极管挡住的,现在来改装一下71f2d11be06591ca7ae27d61a5167f.jpg红色是绝缘层,黑色是金属层,把这个栅极和漏极连在一起。278d3415c15fe6a8774f878fc5ebd5.jpg

就是这个绝缘层,也让我们的G和S之间的电阻好大5f6765d57a8d311e5bb1a270e94b6f.jpg也就是因为这个,这里的绝缘层上面的电荷释放不了,容易G被静电打穿18dfa6ebc860f2316b3ff4b22bf0b2.jpg金属板就形成了一个电场12a0c873def56ff66ad9bc29eca0a1.jpg电场现在是把P里面的电子都吸引到了两个PN结之间,同样的,空穴就被推出去。aada1fbe633921e94091ebd2d2e4bd.jpg电压越大,吸引的电子越多,然后就形成了N沟道,就是这个地方为MOS管分类。那现在这个沟道就把以前的PN结给取代了,没有了二极管。24feb2f1a38b0f9f56581f4fd5dd8f.jpg现在就是D这里的电子围绕一圈到了S,导通02cd7b643423893fb4307d9d2f03b2.jpg

去掉就没有了a4a982c7676b2764ca61f80faff8e2.jpg名字就是按照这个顺序起的名字4301aa5ffb62d75a3bc41d6b2249dc.jpg现在看就知道这个N是代表了,电子流动的方向现在看这个符号是不是很明白,这个NMOS的G加了高电位,是不是就是相当于 ,这个源是靠近GND的,G这里就是一个吸引电子的电场,上面的D是正电位就和下面的S连在了一起导通。不常用的端子:B(Body)衬底,通常连接到源极(S)。d4bc5a98d2bfac7bf292911849e969.jpg就是这个鬼东西e2a097102dd70951f60606135da181.jpg看,这个器件就是NMOS管子0c0e7a5780cc3900f3a5a278f2f116.jpg这是PMOS的最重要的不一样的地方和NMOS反着来

  1. S源极电压高,G栅极电压低 → 导通

  2. Source=5V,Gate=0V → 导通

通常用于高边开关(High-side switch)f5d0e800ed82afa1340b7eef6a25d7.jpg就是看你要怎么控制,一般是在低端的地方多USB 电源控制(插上再上电),电机、电灯、风扇控制中,不希望负载直接接电源时。P 沟 MOS 管导通的条件是:Gate 电压比 Source 更低Source 接的是  V 电源,那 MCU 输出 0V 就能让它导通(很容易控制)。我们有时候看到输入G给个负电压都好使,就是因为G比S低就好。PMOS里面的P:载流子是“空穴”(正电),靠“电子缺失”传导电流。PMOS的沟道材料是P型,而衬底材料是N型,要想在N型材料里吸引空穴的话,自然栅极应该加负电压。和NMOS栅极正电压越大,沟道的导电能力越强一样,PMOS是栅极电压负向越大,沟道导电能力越强。e87393d7848b3067e4bc749eac80a8.jpg也就是吸了空穴过来f086b9ac3bd237bd24c8cd5df3e8a7.jpg也就是说,PMOS是形成了P沟道,剩下的N型半导体里面的载流子是电子(Electron),也叫多子(majority carrier)。“PMOS 的沟道是 P 型(空穴导电),而它所在的 N 型衬底中,多数载流子是电子,两者类型互补。”74f0d56d89fc82ea507823724531f9.jpg我们可以搞个表格来分辨在最后,我们知道了MOS管的主要矛盾就是把PN结交界面的PN节干掉,最后一个问题是,耗尽和增强是什么意思?在不加电压时,MOS 管有没有“沟道”?3dedc0f090ff6abbda7c7aaf1dcde5.jpg想象一个水龙头:增强型 MOSFET:关着的时候是完全断水的,你必须拧开才能通水耗尽型 MOSFET:出厂默认就是开着的,水一直流,你要拧它一下让它停水增强型 MOS(Enhancement-mode)沟道原本不存在,需要通过栅极加电压,诱导出一个“反型层”才会导通。9392bafd53c58171e235467bf237b4.jpg靠这样的增强,增强就是加个电压,增强了电场反过来沟道本来就存在,不加电压就能导通。栅极电压的作用是:减少导电能力,甚至完全关闭。使用较少,偏模拟/特种场合(如恒流源、高阻抗负载等)72e1c708de719acd4c89f53ead4a7f.jpgOK~~~,完美~~~7266332149123842d46094da21cd5e.jpg这个是PMOS管子,适合高端开关,现在分析一个电路bb1e62b57666e5f4f5a36413e079ab.jpgQ3输入 USB 的第一道高边开关,栅极通过 R62 下拉控制(电阻 10k)控制是否让 USB 插口(J1)提供的电源 VBUS 向后面的系统(VBUSEXT)供电。栅极被拉低时 → VGS 为负 → 导通 → USB 电源接入系统Q13:VBUSEXT 再次输出前的控制(类似“门禁”),栅极由中间节点控制。在电源已经从 USB 接入系统之后,进一步控制是否让这个电源继续向系统后端供电(比如连接主控板、供电总线等)你说这个电流到底是D到S,还是S到D呢?f8ec7a1c98888a673e9613a45287f5.jpg也就是说,G已经最低说GND了,S都是高于GND的,以及DS都导通了。118385ccbd08e74b36476c1087eae7.jpgQ12、Q18 是通过开关或其它控制条件切换的两个通道

  1. USB 插入,VBUS 通过 Q3 导入系统(控制栅极决定 Q3 是否导通)

  2. VBUSEXT(中间电源总线)进入 Q13

  3. Q13 的导通由 Q12/Q18   SW1 控制

  4. Q13 若导通,电源向系统最终输出供电

94700abc4f2bcb2d73c73cbf006b86.jpg最后补一个:046dc0cabc5824584d53ffd0bc67cc.jpg

我有时候分不清,现在试试看


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