MOS管从入门到精通

MOS管从入门到精通（基础）

nmos和pmos导通条件-详解nmos和pmos导通电路图及区别-KIA MOS管

NMOS与PMOS有什么区别

什么是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。

什么是pmos

PMOS是指n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管。

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。

nmos和pmos区别

在实际项目中，我们基本都用增强型mos管，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。

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。

PMOS和NMOS导通条件

MOS与NMOS两种增强型场效应管的开关电路作了详细的介绍，并且还提到过一种广为流传的说法：相对于NMOS管，PMOS管的沟道导通电阻更大、速度更慢、成本更高等，还是从头讲起吧！

如果读者有一定的电子技术应用经验的话，对NMOS管开关电路的使用场合肯定是如数家珍，几乎所有的开关电源拓扑都偏向于使用NMOS管（而不是PMOS管），如正激、反激、推挽、半桥、全桥等拓扑，NMOS管的应用电路案例真心不要太多。

可以看看国际整流器MOS管的分类，如下图所示：

除两个圈所标注的内容是PMOS管外，其它都是NMOS管，并且NMOS管在电压档次上比PMOS管要细分得多，从侧面可以说明NMOS管的应用场合比PMOS要大得多（因为应用多，所以需求多，继而型号多），如果你粗略地统计一下PMOS与NMOS型号的数量，NMOS管绝对独占鳌头。

有人说：应该是PMOS管在使用的时候控制电路太过复杂，与NMOS管的驱动比较，PMOS还需要额外的三极管，成本太高。那继续往下看，如果读者对电子技术足够感兴趣且好奇心总是不一般的话，应该对降压型BUCK单片开关电源电路有一定的了解，那自然会遇到类似下图所示的电路：

这是最常用的BUCK拓扑降压芯片的典型应用电路，但是有些降压芯片应用电路却稍微有所不同，如下图所示：

与LM2596S芯片相比多了一个BOOST（BST）引脚，一般在该引脚与SW之间串一个小电容，这是为什么呢？

有经验的读者可能会说：这种芯片是采用同步整流方案（关于同步整流可参考文章【开关电源（1）之BUCK变换器】，简单的说，就是用MOS管来代替续流二极管，以达到降低损耗继而提升转换效率的目的），内部是用两个NMOS管配合工作的，需要一个自举升压电路，所以才需要外接一个电容。该芯片开关管结构如下图所示：

然而同步整流方案与使用NMOS管作为开关管之间没有因果关系，换言之，就算是异步整流方案，芯片也会偏向于使用NMOS管，如下图所示：

LM25011就是异步整流方案，该芯片的内部开关管的结构如下图所示：

总之一句话：如果内部开关管使用场效应管，那大多数是NMOS管，而PMOS管用着少。

在文章《开关电源（1）之BUCK变换器》中详细介绍了降压型BUCK开关电源拓扑，并且还用下图做了一次仿真：

用PMOS管来实现开关切换功能的电路是要多简洁就多简洁

同样的现象也存在于BOOST变换器芯片中，BOOST单片升压芯片典型应用电路如下图所示：

同样，有些升压芯片多了一个BOOST/BST引脚，如下图所示：

这里要说明一下：上图中芯片外围接有的PMOS管并不是必须的，因为BOOST拓扑由于其本身的特性，在芯片不工作时输出是无法关闭的（输出电压略小于输入电压），这与BUCK拓扑不同，如果需要完全关闭电压输出，必须额外添加一个PMOS管开关电路，这就是我们在文章开关介绍的PMOS管电源开关控制电路。

该芯片的内部开关管的结构如下图所示：

当然，异步整流升压芯片就没必要再弄个BST引脚了，因为NMOS管已经是比较理想的架构了，我们在文章《开关电源（2）之BOOST变换器》中也是用NMOS管来仿真的，如下图所示：

前面提到过，PMOS管的导通电阻比NMOS管的导通电阻要大，我们可以找外部参数尽量相同的数据手册来对比一下，如下图所示：

在相同的工艺、耐压等条件下，NMOS导通电阻为0.036W（W就是欧姆的意思，形状很像符号Ω），而PMOS导通电阻要大得多，其值为0.117Ω，当然，这并不能作为PMOS管的导通电阻比NMOS要大的直接证据，然而事实上，在相同的工艺及尺寸面积条件下，PMOS管的导通电阻确实要比NMOS管要大，这样PMOS开关管的导通损耗比NMOS要大。

将PMOS管应用场合比较少的原因归结于P沟道导通电阻更大似乎是个比较理想的答案，然而我们还是不禁要问一下：为什么PMOS管的导通电阻比NMOS要大呢？这主要是源自于导通沟道在一个特性方面的差别：电子迁移率（Electron mobility）。

我们在文章《二极管》里讲解PN结的时候，已经提到过P型半导体与N型半导体的由来，P型半导体就是在本征半导体中掺入3价的元素（如硼元素），其结构如下图的所示：

在合理的范围内掺入的杂质越多，则多数载流子空穴就更多，P型半导体的导电性也似乎将会变得更好。

相应的，N型半导体就是在本征半导体（纯净无掺杂的）中掺入5价的元素（如磷元素），其结构如下图的所示：

同样的，在合理范围内掺入的杂质越多，则多数载流子电子就更多，N型半导体的导电性也因此似乎将会变得更好，而PMOS管或NMOS管的导通沟道就是P型或N型，这看起来两者没有太大的区别，只要控制掺入杂质的数量，就可以控制掺杂半导体的导电性，但实际上并非这么回事！因为半导体的导电性不仅与载流子（电子或空穴）浓度有关，还与载流子的迁移率（速度）有关。

我们从初中物理学就知道，导体之所以容易导电，是因为自由电子比较多，而绝缘体很难导电是因为自由电子比较少，半导体中的导电性也是类似的。

NMOS管是导电沟道是N型半导体，其多数载流子是电子，当半导体外部施加电场时，载流子电子将按下图所示的迁移：

载流子电子在由A点到F点的运动过程中，不断地与晶格原子或杂质离子发生碰撞，因此运动轨迹不是直线的，只有一个平均的迁移方向（细节可自行参考相关文档），但有一点需要注意的是：载流子电子在迁移过程中不会进入共价键中，总是在图所示的“空档”移动，这些地方没有共价键位置的束缚力，因此载流子电子的迁移率（速度）比较高。

在《半导体物理学》中，我们把自由电子存在的空间叫做导带，而把共价键所在的空间叫做价带，很明显，价带中有来自晶格原子（如硅、锗）或杂质离子（如硼、磷）的束缚力，因此价带（共价键）中的电子要跑出来就必须具备一定的能量（如光或热），而电子在导带中则不需要。

PMOS管是导电沟道是P型半导体，其多数载流子是空穴，当半导体外部施加电场时，载流子空穴将按下图所示的迁移：

空穴移动可以看作是电子的反向移动，每一次空穴移动时，都可以看成是电子从导带中跳入到价带中（填充某个空穴），再从价带中跳出来往相邻的价带中移动，很明显，空穴迁移的速度是不如电子迁移速度的，因为电子一旦跳进价带（共价键）中，就会受到共价键的束缚力，需要更多的能量激发才能跳出来。

你可以将这种迁移方式比作游泳，NMOS管相当于在水里游泳，而PMOS管相当于在油水相间的泳道中游泳，很明显，在相同的条件下，在水里游泳的速度会更快一些，如下图所示：

电子与空穴迁移率的差别表现之一在场效应管的开关速度上，我们在文章《逻辑门》中已经介绍过，CMOS反相器是由一个PMOS管与NMOS管来完成的，如下图所示：

当输入A=0时，输出Y=1，当输入A=1时，输出Y=0，由于PMOS管（上侧带圈圈的）的空穴迁移率比NMOS管的电子迁移率要小，因此，在相同的尺寸条件下，输出Y的上升速率比下降速率要慢，这样带来的结果是：开关损耗相应会比NMOS管大一些（关于“开关损耗”可参考文章【开关电源（1）之BUCK变换器】）。

当然，你可以做一个与NMOS管驱动能力相同的PMOS管，但需要的器件面积可能是NMOS管的2～3倍，这就是钱呐，而且器件面积会影响导通电阻、输入输出电容，而这些参数会影响电路的延迟。

同样，在相同的尺寸条件下，PMOS管沟道导通电阻比NMOS要大一些，这样开关导通损耗相应也会比NMOS管要大一些

正是因为迁移率的差别才有速度与沟道导通电阻的差别，才导致PMOS管的应用范围受到限制，这样PMOS的市场用量必然不如NMOS管，从工艺上来讲，PMOS管与NMOS管的制造并无多大不同，但市场经济的杠杆总是无处不在的，所以PMOS管比NMOS管贵很大一部分也是由市场决定的（材料成本低并不总意味着价格低），而不能简单地认为：因为PMOS管与NMOS管贵，所以应用场合少。

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