【MOS管】基础知识和简易电路

1. 简介

一、MOS管，是MOSFET的缩写。MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。

其中，G是栅极，S是源极，D是漏极。

二、常见的 NMOS 和 POMS 的原理与区别

NMOS
NMOS 英文全称为 N-Metal-Oxide-Semiconductor。意思为N型金属-氧化物-半导体，而拥有这种结构的晶体管我们称之为 NMOS 晶体管。
MOS晶体管有 P型MOS管和 N型MOS管之分。由 MOS 管构成的集成电路称为MOS集成电路，由 NMOS 组成的电路就是 NMOS 集成电路，由 PMOS 管组成的电路就是 PMOS 集成电路，由 NMOS 和 PMOS两种管子组成的互补 MOS 电路，即 CMOS 电路。

PMOS
PMOS 是指n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管。

NMOS 和 PMOS 工作原理
P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低，因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压绝对值相等的情况下，PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。此外，P沟道MOS晶体管阈值电压的绝对值一般偏高，要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性，与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。PMOS因逻辑摆幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更低，在NMOS电路（见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路）出现之后，多数已为NMOS电路所取代。只是，因PMOS电路工艺简单，价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。

三、MOS管应用分析

1. 导通特性
NMOS 的特性：Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极（S）接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
PMOS 的特性：Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极（S）接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

2. MOS开关管损失
不管是 NMOS 还是 PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。

MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。

导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

3. MOS管驱动
跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。

在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。

第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的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。

四、MOS应用电路设计

在实际项目中，我们基本都用增强型，分为N沟道和P沟道两种。

我们常用的是NMOS，因为其导通电阻小，且容易制造。在MOS管原理图上可以看到，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，需要具体看数据手册。

了解MOS管的开通/关断原理你就会发现，使用PMOS做上管、NMOS做下管比较方便。使用PMOS做下管、NMOS做上管的电路设计复杂，一般情况下意义不大，所以很少采用。
下面先了解MOS管的开通/关断原理，请看下图：

NMOS管的主回路电流方向为 D->S，导通条件为 Vgs 有一定的压差，一般为5~10V（G电位比S电位高）；而PMOS管的主回路电流方向为 S->D，导通条件为 Vgs 有一定的压差，一般为-5~-10V（S电位比G电位高），下面以导通压差6V为例。

简单的记忆方式：

N 表示负的意思，简单认为栅极（G）为负，那么驱动的箭头方向就是从 S->G

P 表示正的意思，简单认为栅极（G）为正，那么驱动的箭头方向就是从 G->S

实际使用时负载的电流方向和驱动的箭头方向相反

NMOS管
使用NMOS当下管，S极直接接地（为固定值），只需将G极电压固定值6V即可导通；若使用NMOS当上管，D极接正电源，而S极的电压不固定，无法确定控制NMOS导通的G极电压，因为S极对地的电压有两种状态，MOS管截止时为低电平，导通时接近高电平VCC。当然NMOS也是可以当上管的，只是控制电路复杂，这种情况必须使用隔离电源控制，使用一个PMOS管就能解决的事情一般不会这么干，明显增加电路难度。

简单的记忆方式：N 表示负的意思，那么 S 源级接 GND

PMOS管
使用PMOS当上管，S极直接接电源VCC，S极电压固定，只需G极电压比S极低6V即可导通，使用方便；同理若使用PMOS当下管，D极接地，S极的电压不固定（0V或VCC），无法确定控制极G极的电压，使用较麻烦，需采用隔离电压设计。

简单的记忆方式：P 表示负的意思，那么 S 源级接 VCC