mos管的工作原理浅显易懂（浅析MOS管工作原理及特性）

什么是MOS管？

MOS管的英文全称是MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，即金属氧化物半导体场效应晶体管，属于绝缘栅型场效应晶体管。因此，MOS晶体管有时被称为绝缘栅场效应晶体管。在一般的电子电路中，MOS晶体管通常用于放大电路或开关电路。

1、MOS管结构

在低掺杂浓度的P型半导体硅衬底上，用半导体光刻和扩散工艺制作了两个高掺杂浓度的N区，用金属铝引出两个电极，分别作为漏极D和源极S。然后，薄的二氧化硅(Si02)绝缘膜覆盖在漏极和源极之间的P型半导体的表面上，并且铝电极安装在该绝缘膜上作为栅极g。这构成了N沟道(NPN型)增强型MOS晶体管。显然，它的栅极与其他电极绝缘。图1-1所示的a和B分别是其结构图和代表符号。

采用与上述相同的方法，通过半导体光刻和扩散工艺在低掺杂浓度的N型半导体硅衬底上制作两个高掺杂浓度的P区，并采用与上述相同的栅极制作工艺制作P沟道(PNP型)增强型MOS管。下图分别显示了N沟道和P沟道MOS管的结构图和代表符号。

2、MOS管工作原理

增强型MOS晶体管的漏极D和源极S之间有两个背靠背的PN结。当栅源电压VGS=0时，即使加上漏源电压VDS，也始终有一个PN结处于反向偏置状态，漏源之间没有导电沟道(没有电流流过)，所以此时漏电流ID=0。

此时，如果在栅极和源极之间施加直流电压(VGS0)，则在栅极和硅衬底之间的SiO2绝缘层中将产生栅极指向P型硅衬底的电场。由于氧化层是绝缘的，施加在栅极上的电压VGS不能形成电流，在氧化层的两侧形成电容器。VGS相当于给这个电容器充电，形成一个电场。随着VGS逐渐上升，它将被栅极的正电压所吸引。在这个电容的另一侧，大量的电子聚集起来，形成一个从漏极到源极的N型导电沟道。当VGS大于晶体管的导通电压VT(一般为2V左右)，N沟道晶体管开始导通，形成漏极电流ID。我们把沟道形成开始时的栅源电压称为导通电压，一般用VT表示。

控制栅压VGS改变电场强度，从而达到控制漏电流ID的目的。这也是MOS管利用电场来控制电流的一个重要特性，所以也叫FET。

MOS管的MOS特性

从上述MOS管的工作原理可以看出，MOS管的栅极G和源极S是绝缘的。由于Sio2绝缘层的存在，栅极G和源极s之间存在等效电容，电压VGS产生电场，导致源漏电流。此时，栅极电压VGS决定漏极电流，并且漏极电流ID可以通过控制栅极电压VGS来控制。这可能导致以下结论：

1) MOS管是通过改变电压来控制电流的器件，所以是电压器件。

MOS流水线的输入特性是容性的，所以输入阻抗极高。

MOS管的电压极性和符号规则

上图显示了N沟道MOS晶体管的符号。图中D是漏极，S是源极，G是栅极，中间的箭头表示衬底。如果箭头向内指示N沟道MOS晶体管，则箭头向外指示P沟道MOS晶体管。

在实际的MOS管生产过程中，基板在出厂前是与源极连接的，所以在符号规则中；表示衬底的箭头也必须连接到源极，以区分漏极和源极。

上图是P沟道MOS晶体管的符号。

MOS晶体管所加电压的极性与我们普通晶体管的极性相同。N沟道晶体管类似于NPN晶体管

FET的源极S、栅极G、漏极D分别对应三极管的发射极E、基极B、集电极C，作用相似。

2) FET是压控电流器件，ID由VGS控制，普通晶体管是电流控制电流器件，IC由IB控制。MOS晶体管的放大系数是(跨导gm)栅极电压变化1伏时漏极电流可以变化多少安培。晶体管是电流放大系数()。当基极电流变化1毫安时，就会导致集电极电流变化。

FET的栅极与其他电极绝缘，不产生电流；而三极管的基极电流IB决定了集电极电流IC。所以场效应管的输入电阻比三极管高很多。

4)只有多数载流子参与场效应晶体管的导通；三极管中有两种载流子，多数载流子和少数载流子。由于少数载流子浓度受温度、辐射等因素影响较大，FET的温度稳定性比三极管好。

FET的源极不与衬底连接时，源极和漏极可以互换使用，特性变化不大。当三极管的集电极和发射极互换使用时，其特性差别很大，B值会下降很多。

6)FET的噪声系数很小，所以在低噪声放大电路的输入级和高信噪比的电路中应选用FET。

7)场效应管和普通晶体管都可以构成各种放大电路和开关电路。然而，场效应晶体管制造工艺简单，具有普通晶体管无法比拟的优良特性不匹配。在各种电路和应用中，场效应管正逐渐取代普通晶体管。目前，场效应管已广泛应用于大规模和超大规模集成电路中。

6、开关电源电路中大功率MOS管相对于大功率晶体管的优势

1)输入阻抗高，驱动功率低——由于栅极和源极之间有二氧化硅(SiO2)绝缘层，所以栅极和源极之间的DC电阻基本上是SiO2绝缘电阻，一般在100 m左右，交流输入阻抗基本上是输入电容的容抗。由于输入阻抗高，对激励信号不会有压降，可以用电压驱动，所以驱动功率极小(灵敏度高)。通常，晶体管必须具有基极电压Vb，然后产生基极电流Ib来驱动集电极电流。晶体管的驱动需要功率(VbIb)。

2)切换速度快。——MOSFET的开关速度与输入的容性特性密切相关。由于输入的容性特性，开关速度变慢，但当它用作开关时，可以降低驱动电路的内阻，加快开关速度(输入由灌注回路稍后描述，这加速了电容充电和放电时间)。MOSFET只是依靠多载流子导通，没有少子存储效应，所以关断过程很快。开关时间在10-10—100ns之间，工作频率可达100kHz以上。由于少数载流子存储效应，普通晶体管的开关总是滞后，影响了开关速度的提高(目前使用MOS管的开关电源很容易达到其100 K/s ~ 150 K/s的工作频率，这对于普通大功率晶体管来说非常重要。

3)无二次击穿——因为常见的功率晶体管都有温度升高时集电极电流会升高的现象(正温度-电流特性)，集电极电流升高会导致温度进一步升高，温度进一步升高，进一步导致集电极电流升高的恶性循环。但晶体管的耐压VCEO随着管温的升高而逐渐降低，导致管温持续升高，耐压持续下降，导致晶体管击穿。这是一种环断式热电击穿现象，导致电视开关电源管和线路输出管的损坏率占95%，也称为二次击穿现象。MOS晶体管具有与普通晶体管相反的温度-电流特性，即当晶体管的温度(或环境温度)升高时，沟道电流IDS反而降低。比如说；一个IDS=10A的MOS FET，当VGS控制电压恒定时，在250C的温度下IDS=3A，当芯片温度上升到1000C时，IDS下降到2A。这种负温度电流特性，导致沟道电流IDS因温度升高而降低，防止其产生恶性循环和热击穿。也就是说，没有MOS晶体管的二次击穿现象。可以看出，通过使用MOS晶体管作为开关晶体管，开关晶体管的损坏率大大降低。近两年来，用MOS管作电视机的开关电源后，开关晶体管的损坏率大大降低，这也是一个极好的证明。

MOS管导通后，其导通特性为纯电阻。——普通晶体管处于饱和导通状态，几乎是直通的，有很低的压降，称为饱和压降。既然有电压降，那就是；普通晶体管等效为饱和导通后电阻最小的电阻，但这个等效电阻是一个非线性电阻(电阻两端的电压和流过它的电流可以不符合欧姆的法律)。MOS晶体管作为开关晶体管，饱和导通后也有一个极小的电阻，但这个电阻相当于一个线性电阻，其电阻值符合Ohm 电阻上的电压降和流过电阻的电流符合s定律。大电流电压降会大，小电流电压降会小。由于导通后等效为线性元件，所以线性元件可以并联应用。当这两个电阻并联时，会有自动电流平衡功能。所以当一个管的功率不足时，可以并联MOS管，不需要额外的平衡措施(非线性器件不能直接并联)。

与普通晶体管相比，MOS晶体管具有上述四大优点，足以使MOS晶体管在开关状态下完全取代普通晶体管。目前MOS管VDS的工艺可以达到1000V，只能作为开关电源的开关管。随着制造技术的不断进步和VDS的不断提高，在不久的将来也有可能取代显像管电视的行输出管。

什么是灌注回路？

1、MOS管作为开关管应用的特殊驱动电路

与普通晶体管相比，MOS晶体管有许多优点。但当用作大功率开关晶体管时，由于其容性输入特性，MOS晶体管的输入端相当于一个小电容，输入的开关激励信号实际上是在对这个电容反复充放电的过程中。在充放电过程中，MOS管的导通和关断被延迟，导通和关断过程变慢。

电压波形变成B的畸变波形，导致开关管损坏。解决方法是只要R足够小，即使没有电阻，激励信号能提供足够的电流，等效电容就能快速充放电，这样MOS开关管就能快速打开和已关闭以确保正常运行。由于激励信号具有内阻，且信号的激励电流有限，我们增加了一个灌注回路把MOS管的输入部分作为开关管来解决这个问题，如下图所示。

在上图中，在用作开关的MOS晶体管Q3的栅极S和激励信号之间增加了两个开关晶体管Q1、Q2。这两个晶体管是普通晶体管，两个晶体管串联。Q1是NPN型Q2是PNP型，基极连在一起(实际是PNP-NPN互补射极跟随器)。两个晶体管相当于两个开关，在方波激励信号的控制下导通，如下图A和图B所示。

当激励方波信号的正半周到来时；晶体管Q1(NPN)导通，Q2(PNP)截止，VCC通过Q1给MOS开关Q3的栅极充电。当Q1饱和并导通时，VCC相当于直接施加到MOS开关Q3的栅极。瞬间充电电流极高，充电时间极短，保证了快速打开MOS开关Q3的，如图A所示(图A和B中的电容C是MOS开关栅极S的等效电容)。

当激励方波信号的负半周到来时；晶体管Q1(NPN)截止，Q2(PNP)导通，MOS开关Q3的栅极所充的电荷通过Q2快速放电。由于Q2饱和导通，放电时间极短，保证了MOS开关Q3快速关断，如上图B所示。

由于MOS管S门引线的电流容量在制造过程中受到限制，Q1饱和导通时，VCC对MOS管S门的瞬时充电电流很大，容易损坏MOS管的输入端。为了保护MOS管的安全，必须采取措施限制特定电路中的瞬时充电电流值，并在栅极充电电路中串联一个合适的充电限流电阻R，如下图A所示。

充电限流电阻r阻值的选择；根据MOS管的输入电容、激励脉冲的频率和灌注电路的VCC(VCC一般为12V)，一般在几十欧姆到一百欧姆之间。

由于充电限流电阻的增加，Q2在激励方波的负半周导通时放电速度受到限制(充电时VCC产生电流，放电时栅极充入的电压产生VGS，远小于VCC，R的存在大大降低了放电速率)，使得MOS管的开关特性变差。为了使R的阻值不影响放电时的快速放电速率，在充电限流电阻R上并联一个构成放电通路的二极管D，如上图B所示。该二极管在放电时导通，在充电时关断。这样，增加了充电限流电阻和放电二极管后，保证了MOS管的安全性，也保证了MOS管的快速动作在和关闭得到了保证。

另一个灌注回路

另一种形式的灌注电路，对于小功率开关电源中使用的一些MOS晶体管，经常采用下图A所示的电路模式。

图中，D是充电二极管，Q是放电晶体管(PNP)。工作过程如下：当激励方波为正半个周期时，D导通，给MOS管输入端的等效电容充电(此时Q关断)；当激励方波为负半个周期时，D关断，Q导通，MOS晶体管的栅极S所充的电荷通过Q放电，MOS晶体管完成在和关闭动作，如上图B所示。这个电路是直接灌注由激励信号产生，且激励信号源要求低内阻。这种电路一般用于小功率开关电源。

3、MOS管开关应用必须配备泄放电阻。

当MOS管工作在开关状态时；Q1、Q2依次导通，MOS管栅极处于反复充放电状态。如果此时关断电源，MOS管的栅极会有两种状态；一种状态是；放电状态，栅极等效电容没有电荷存储，一种状态是；充电状态，而栅极的等效电容正好处于充满电状态，如下图A所示。

虽然切断了电源，但Q1、Q2此时也处于关闭状态，没有释放电荷的电路。电炉

该灌注电路主要是针对MOS管用作开关管时的容性输入特性而设计的，这种特性导致在和关闭要滞后的行动。当MOS管用于其他目的时；比如线性放大，就不需要设置灌注电路。

示例应用电路分析

在初步了解了以上关于MOS晶体管的知识后，一般情况下，我们可以简单分析并采用MOS晶体管开关电源的电路。

1、三星等离子V2屏开关电源PFC部分激励电路分析

(图1:三星V2屏幕开关电源-PFC电源的电气原理图)

(图2:图1的等效电路框图)

图1显示了三星V2等离子开关电源的PFC激励部分。从图中可以看出；这是一个并联开关电源L1是储能电感，D10是这个开关电源的整流二极管，Q1、Q2是开关管。为了保证PFC开关电源有足够的功率输出，两个MOS管Q1、Q2并联使用(如图2；是并联开关电源的等效电路图，从图中可以看出在整流桥堆和滤波电容C5)之间增加了并联开关电源。图中Q3、Q4为灌注激励管，Q3、Q4的底座输入开关激励信号，VCC-S-R为Q3、Q4的VCC电源(22.5V)。

两个开关Q1、Q2的门极都有自己的充电限流电阻和放电二极管，R16是Q2的限流电阻，在强信号为正的半周内给Q2门的等效电容充电，D7是Q2门等效电容的放电二极管，在强信号为负的半周内，R14、D6是Q1的充电限流电阻和放电二极管。R17和R18是Q1和Q2的关断栅极充放电电阻。D9是启动时的浪涌电流分流二极管。

2、三星等离子V4屏开关电源PFC部分激励电路分析

下图是三星V4屏开关电源PFC激励部分的电气原理图，可以看出这个V4屏电路激励部分的原理和V2屏是一样的。只有每个大功率MOS开关管的栅极放电电阻(R209、R206)与过压保护二极管ZD202、ZD201和ZD204、ZD203并联。

3、海信液晶开关电源PFC部分激励电路分析

海信液晶电视32 到46 采用这种开关电源，电源采用SMA-E1017 (PFC和PWM共用一个复合励磁集成电路)。同样，PFC开关电源也是并联开关电源，如图3-4所示。TE001是储能电感，DE004是开关电源的整流器，QE001、QE002是两个并联的大功率MOS开关管。集成电路的PFCOUTPUT端为激励输出，re008、 re 009、 re 0010、 ve 001、 de 0002、 re 011、 de 003构成QE001和Qe003。

下图显示了灌注电路的等效电路。从图中，我们可以清楚地看到灌注电路的原理和各个部件的功能。

根据等效电路图分析，集成电路的激励输出端(PFCOUTPUT端)在方波输出的正半周导通DE002，MOS开关管QE001和QE002的栅极通过RE008、RE010充电。当励磁端子为负半周时，DE002关闭。因为晶体管VE001是PNP，负半周期信号使VE001导通。此时，QE001和QE002的栅极所充的电荷通过VE001放电，MOS晶体管完成在和关闭周期。根据图3-5的分析，RE011在充电时起限流电阻的作用，而在放电时，由于VE001的存在和导通，已经建立了放电电路，DE003的作用是加速VE001的导通，使开关管更快地闭合。

开头的图是PFC开关电源和PWM开关电源的原理图。该电路中的集成电路MSA-E1017将PFC部分的激励控制和PWM部分的激励控制结合在一个集成电路中。下图显示了原理

MOS晶体管是绝缘栅场效应晶体管，其栅极没有DC路径，因此输入阻抗极高，容易造成静电荷积累，产生高电压击穿栅极和源极之间的绝缘层。早期生产的MOS管大多没有防静电措施，所以在存放和使用时要非常小心，尤其是小功率MOS管。由于小功率MOS管的输入电容相对较小，当暴露于静电时产生的电压较高，容易引起静电击穿。

但是最近的增强型大功率MOS管就大不一样了。首先，由于其功能较大，输入电容较大，接触静电时有一个充电过程，产生的电压较小，可能导致击穿较小。再者，目前的大功率MOS管在其内部栅源处有一个保护稳压器DZ(如下图所示)，在保护稳压二极管的稳压值以下嵌入静电，有效保护栅源绝缘层，不同电源和源的电压。虽然MOS管内部有保护措施，但是操作时还是要遵循防静电操作规程，这才是一个合格的修理工应该具备的。

检测和替换

修理电视机和电器设备时，会损坏各种元器件，MOS管也在其中。这就是我们维修人员如何用常用的万用表来判断MOS管的好坏。如果更换MOS管时没有同厂家同型号，如何更换。

1、MOS试管测试：

作为一名一般的电器电视维修人员，在测量三极管或二极管时，一般会使用普通万用表来判断三极管或二极管的好坏。虽然被判断的三极管或二极管的电参数可以不被确认，确认三极管是否好或者坏只要方法正确。同样，MOS管可以被判断为好或者坏通过万用表，也可以满足一般维修的需求。

测试必须使用指针式万用表(数字表不适合测量半导体器件)。对于功率MOSFET开关来说，都属于N沟道增强型，各厂商的产品几乎都采用相同的TO-220F封装形式(指开关电源中使用的功率为50-200W的场效应开关)，其三个电极的排列方式相同，即三个引脚朝下，印刷型号面向Zisi，左边引脚为栅极，右边引脚为源极，中间引脚为漏极，如下图所示。

1)万用表及相关准备：

首先，测量前要用万用表，尤其是欧姆档的应用。只有了解欧姆块，才能正确使用欧姆块测量晶体管和MOS管。

万用表欧姆档的欧姆中心刻度不能太大，最好小于12(500型表中为12)，这样才能在R1档产生较大的电流，准确判断PN结的正特性。万用表块R10K内部电池好于9V，测量PN结反向漏电流更准确，否则测不到漏电流。

现在由于生产技术的进步，工厂筛选和检测非常严格。一般我们只需要判断MOS管没有漏电，没有击穿短路，没有内部中断，可以放大。方法非常简单：

万用表采用R10K档；R10K档位内部电池一般是9V加1.5V达到10.5V，一般判断PN结反向漏电就够了。万用表红色表笔为负电位(接内部电池负极)，万用表黑色表笔为正电位(接内部电池正极)，如上图所示。

2)测试步骤：

将红色探针连接到MOS管的源极S；将黑色探针连接到MOS管的漏极D，指针指示应该是无穷大，如下图所示。如果有欧姆指数，说明被测管有泄漏，不能使用该管。

保持上述状态；此时在栅极和漏极连接一个100K~200K的电阻，如下图所示；此时指针指示欧姆数要越小越好，一般可以指示0欧姆。某事发生以后

上图中的这一点；然后去掉连接的电阻，那么万用表的指针应该还是保持MOS管导通的指标不变，如下图所示。虽然去掉了电阻，但是电阻充到栅极的电荷并没有消失，栅极电场继续维持，内部导电沟道保留，这就是绝缘栅MOS管的特性。如果去掉电阻，电表会慢慢地逐渐回到高阻甚至无穷大，要考虑被测管的栅漏。

此时用一根导线连接栅极和被测管的源极，万用表指针立即回到无穷大，如上图所示。导线的连接使被测MOS管和栅极电荷释放，内部电场消失；导电沟道也消失了，因此漏极和源极之间电阻再次变得无穷大。

2、MOS管的更换

修理电视机和各种电器设备时，同类型的部件损坏时应更换。但有时同样的部件手头没有，就需要用其他型号代替。这样各方面的性能，参数，外形尺寸等等。应该被考虑在内。比如电视内部的线路输出管，一般只要考虑到耐压、电流、功率就可以更换(线路输出管的外部尺寸都差不多)，而且功率往往更大更好。

虽然更换MOS管也是同样的原理，但是最好还是用原来的型号，尤其是don 不要追求更高的权力，因为权力高；输入电容大，不更换后与励磁回路不匹配。激励灌注电路的充电限流电阻的阻值与MOS管的输入电容有关。MOS管虽然容量大，但输入电容也大，激励电路配合不好，会恶化MOS管的开关性能。更换不同类型的MOS管时，应考虑输入电容参数。

比如42寸液晶电视的背光高压面板损坏。经检查，内部大功率MOS管损坏。因为没有更换原型号，所以选了一个，电压、电流、功率都不小于原MOS管。结果背光灯管持续闪烁(启动困难)。最后换了同样的型号才解决问题。

在检测到MOS管损坏后，必须更换其周围的灌注电路的所有元件，因为MOS管的损坏也可能是灌注电路元件不良造成的。即使MOS管由于自身原因损坏，在MOS管击穿的瞬间，灌注电路元件也损坏了，应该更换。就像我们有很多聪明的维修师傅修A3开关电源；只要发现开关管被击穿，就要一起更换之前的2SC3807励磁管(虽然2SC3807管，用万用表测量是好的)。

此外，工欲善其事，必先利其器。"需要准备一个MOS管说明书，一个好的万用表(欧姆块的中心刻度为12欧姆以下)和一套好的工具。