MOS管的原理及其米勒效应（学习笔记）

一、MOS管的组成及其原理

在讲解MOS的组成之前我们先来了解一下N型半导体和P型半导体。

N型半导体是在纯净的硅晶体中掺入了5价磷，此时磷原子最外层多出来了一个自由电子，因为自由电子带负电，所以我们称为N型半导体。N取自于Negative（负的、消极的）英文字母。

当我们向N型半导体接上电源的时候，无论是正接还是反接它都是可以导通的，此时电流的方向与电子的流动方向相反。

P型半导体是在纯净的硅晶体中掺入了3价的硼，此时硼原子最外层就缺少了一个电子，空穴替代缺少的这个电子，空穴吸引电子对外显正电，我们称它为P型半导体。P取自于Positive(正的、积极的)的英文字母。（注：P型半导体里面并不全是空穴，它里面也有自由电子存在，只是没有N型半导体的多。）

将P型半导体和N型半导体结合在一起就构成了二极管。并且给它通上电，就有了电场，并且电子的受力方向和电场方向相反。

当P型半导体接正极时，自由电子的受力方向如下图，自由电子可以向左运动与空穴结合，在电源的作用下，这种运动源源不断的进行，从而形成了电流。

当P型半导体接负极时，自由电子的受力方向如下图，自由电子受到向右的电场力，不能与空穴复合，此时PN结截止，没有形成电流。这就是二极管的单向导电性。

给两块N型半导体引出两个金属极，分别作为MOS管的的漏极和源极，并且给它通上电源，此时MOS管是截止的，因为在漏极和源极之间形成了两个PN结，有一个PN结导通就有另一个截止。

为了能让MOS导通，在P区加了很薄的一层二氧化硅绝缘层，然后在绝缘层上面再加一层金属板，我们称之为栅极。

当我们给栅极也接上电，这时金属板上就有了电场，它就可以把P区里面的自由电子吸引到绝缘层附近，而把空穴赶走，电压越大吸引过来的电子就越多。当自由电子吸引得足够多的时候，在漏极和源极之间就形成N沟道，原来的两个PN结就不存在了，这个时候我们就称MOS管导通了。

当我们把栅极的电压去掉的时候，漏极和源极之间的N沟道就消失，此时MOS就截止了。

以上就是MOS管的组成及其原理了，我们再说了MOS管的两个重要的特性：

1、MOS管的栅极输入阻抗非常高，这是因为栅极有绝缘层的存在，它几乎完全关闭了电子的通道，造成它的输入电阻可达上亿欧姆，所以说它的输入几乎不取电流。

2、MOS管的栅极很容易被静电击穿，由于栅极输入阻抗很大，感应电荷很难释放，它产生的高压很容易就把这一层薄薄的绝缘层给击穿，造成MOS管的永久损坏。因为绝缘层被击穿之后，自由电子就不能像以前一样聚集N沟道了。

二、MOS管的驱动电路

在分析MOS管的驱动电路之前，我们先来分析一下MOS管的伏案特性曲线，MOS和三极管一样都可以用为电子开关和放大元件。

我们在上一讲中介绍了MOS管想要导通必须在栅极接通电压，而这个电压一般规定为多大呢？每个MOS管的手册中都会有一个Ugs(th)参数，这个电压就是我们所说的开启电压，当我们给栅极(G)的电压Ugs>Ugs(th)的时候，也就是大于开启电压的时候MOS就会导通。

而Ugs的大小也决定了MOS管漏极（D）和源极（S）之间形成的N沟道的宽度还有沟道的阻值Rds，也就是Ugs越大，沟道越宽，Rds越小。反之Ugs越小，沟道越窄，Rds越大。

下面我们再说一下Ids（流过漏极和源极之间的电流）和Ugs的关系：

当我们给MOS加入Ugs的时候，沟道就产生了，当我们给MOS管加入Uds的时候Ids就产生了，而且Ids = Uds / Rds。

现在我们采用控制变量法，保持Ugs不变，从0开始增长Uds，就可以得出我们的伏安特性曲线了。

结论：当Ugs>Ugs(th) 沟道产生MOS导通，Ugs不变，Uds变大--->Ids变大，当Ids变大到一定程度的时候 --->沟道预夹断 --->Ids不在变化 --->MOS饱和。

下面我们要了解一下MOS的驱动电路设计：

MOS的一般驱动电路结构如图所示，当TC4420驱动为高电平的时候，MOS的漏极和源极导通，此时Rds是非常小的，一般为几十毫欧到一两百毫欧，当驱动为低电平的时候，MOS的漏极和源极截止，此时Rds非常大，接近绝缘。

一般MOS的都是由专用的驱动芯片来驱动的，至于是什么原因，接下来我们就得来了解一下MOS的损耗。

MOS的损耗主要分为两部分，一个是导通损耗，到MOS的型号选定过后的时候，导通损耗就为固定的了 = Ids*Rds。另一个损耗为开关损耗，包括开通损耗和关断损耗。

当开关的导通瞬间，开关管的Uds不是马上下降为0，而是有一段下降时间；同时Id也不是马上上升至负载电流，也是有一段上升时间。在这段时间内Ids和Uds有一个交叠区会产生损耗，这个就是MOS的开通损耗，关断损耗也是同样一个道理。

因此，MOS管的开关速度越快，Ids和Uds的交叠区的持续时间就越短，开关损耗也就越小。

如果Ugs的从0上升到Ugs(th)的时间越短，那么MOS的开关速度越快。与此类似，如果把MOS的Ugs下降到Ugs(th)的时间越短，那么MOS的开关时间也就越快。

MOS管的Ugs的上升时间与下降时间与MOS的栅极和源极之间的寄生电容有关，一般为几十皮法，Ugs的上升的过程也就是给寄生电容充电的过程，因此，想要让Ugs在短时间内拉高就需要给MOS的栅极更大的瞬间驱动电流，所以现在也就能解释为什么要使用TC4420芯片这个问题了。

TC4420它能提供最大9A的瞬时驱动电流。

在我们设计MOS驱动电路的时候有以下几点需要注意的：

1、因为在驱动芯片的输出端到MOS的栅极之间的走线上有寄生电感，而寄生电感和MOS管的寄生电容会形成一个LC振荡电路，如果直接把驱动芯片的输出端接到MOS栅极的话，在PWM的上升沿和下降沿会产生很大的振荡，导致MOS管会急剧发热甚至发生爆炸。一般的解决方法就是在栅极增加一个电阻，增大振荡阻尼。

2、因为MOS管的栅极和源极之间的输入阻抗非常高，一点点静电或干扰都可能导致误导通，因此需要在栅极和源极之间增加一个电阻，来降低输入阻抗。

3、为了防止附近的功率线路的干扰耦合，产生瞬间高压，击穿MOS。所以需要在MOS的栅极和源极之间增加一个TVS管（瞬间电压抑制二极管），用于吸收瞬间的干扰脉冲。

三、MOS管的米勒效应

下图是MOS的等效电路图，一般我们从MOS的数据手册中看到的Ciss、Crss、Coss分别与下面这三个的电容对应关系是：

Ciss = Cgs + Cgd； Crss = Cgd ； Coss = Cds。其中Cgd我们称之为米勒电容。米勒效应就是米勒电容Cgd对MOS管的开关时间的影响。由于制造工艺，MOS管的米勒电容是不可避免的。

下面我们从如下波形来分析米勒效应

通过上面分析我们都知道MOS是一个Uds下降，Ids上升的过程，Ids上升的时间越长，则MOS的损耗越大。由于米勒平台的存在将Ugs的上升时间加长了，所以也导致开通损耗的增加。下面我们从以下阶段来分析米勒效应。

1、当MOS管栅极有驱动信号的时候，Ugs给Cgs电容充电，由于电容电压不能突变，所以此时Ugs是以一定斜率上升的过程，此时MOS处于截止状态。

2、当Ugs大于MOS管开启电压Ugs(th)的时候，此时MOS管刚开始导通，Ids开始从0 开始上升，随着Ugs的增大而增大，Rds等效为可变电阻。此时MOS处于开启阶段，MOS管的开通损耗也大部分处于这个阶段。MOS并没有完全导通，所以Uds没有改变。

3、当Ugs达到MOS管完全打开的状态时，Uds开始下降直至0V，我们知道当MOS管导通之前，漏极的电压是比栅极的电压高的，所以米勒电容两端Ucgd<0V；在MOS管的导通过程中，驱动信号在给Cgs充电的同时也会给米勒电容Cgd充电，当米勒电容两端Ucgd逐渐升高至正电压，此时米勒电容就会抢走Cgs的充电能量，Cgs没有充电能量，Ugs保持不变，所以导致了米勒平台的出现，这也就是我们所说的米勒效应。

4、当米勒电容Cgd充满的时候，驱动信号不再给米勒电容充电，而是继续给Cgs充电，Ugs继续上升至驱动信号的幅值。自此整个过程结束。

MOS的关断过程是开启的逆过程，就是相反的过程，由于米勒电容两端的电压需要从正电压降至负电压，从而需要放电，抢占了Cgs的放电通道，导致Vgs不能继续下降，从而导致米勒平台的出现。

米磊效应的抵制方法：

1、选择米勒电容Crss较小的MOS管。

2、增大驱动电流。

3、提高驱动电压。

结论：米勒平台在MOS管的开通和关断过程中都是存在的，这也导致了MOS的开通和关断时间都增加了，不仅增加了开关损耗，也限制了MOS管的开关频率的提高。开关频率越高，损耗就越大，通过降低开关频率，可以提高电源效率。但电源响应时间也会变长，导致电流脉动增大，纹波也会随之增大。

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《模电》5.5、MOS管的米勒效应-米勒平台_哔哩哔哩_bilibili

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