深度详解MOS管的半导体结构与驱动应用
mos 管的半导体结构
mos 管作为半导体领域最基础的器件之一，无论是在ic 设计里，还是板级电路应用上，都十分广泛。
目前尤其在大功率半导体领域，各种结构的 mos 管更是发挥着不可替代的作用。作为一个基础器件，往往集简单与复杂与一身，简单在于它的结构，复杂在于基于应用的深入考量。
因此，作为硬件开发者，想在电路设计上进阶，搞懂 mos 管是必不可少的一步，今天来聊聊。
一、 mos 管的半导体结构
作为半导体器件，它的来源还是最原始的材料，掺杂半导体形成的 p 和 n 型物质。
那么，在半导体工艺里，如何制造 mos 管的？
这就是一个 nmos 的结构简图，一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样，在一定的地基（衬底）上依据设计一步步“盖”起来。
mos 管的符号描述为：
二、 mos 管的工作机制
以增强型 mos 管为例，我们先简单来看下 mos 管的工作原理。
由上图结构我们可以看到 mos 管类似三极管，也是背靠背的两个pn结！三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制ce之间的导通，mos 管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通ds之间。
如上图，在开启电压不足时，n区和衬底p之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。
给栅极提供正向电压后，p区的少子（电子）会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在p型衬底区形成了一个n型沟道区。这样ds之间就导通了。
下图是一个简单的mos管开启模拟：
这是mos管电流id随vgs变化曲线，开启电压为1.65v。下图是mos管的ids和vgs与vds 之间的特性曲线图，类似三极管。
下面我们先从器件结构的角度看一下mos管的开启全过程。
1、vgs 对mos 管的开启作用
一定范围内 vgs》vth，vds
vgs 为常数时，vds 上升，id 近似线性上升，表现为一种电阻特性。
vds 为常数时，vgs 上升，id 近似线性上升，表现出一种压控电阻的特性。
即曲线左边
2、vds对mos管沟道的控制
当vgs》vth，vds
当vds》vgs-vth后，我们可以看到因为ds之间的电场开始导致右侧的沟道变窄，电阻变大。所以电流id增加开始变缓慢。当vds增大一定程度后，右沟道被完全夹断了！
此时ds之间的电压都分布在靠近d端的夹断耗尽区，夹断区的增大即沟道宽度w减小导致的电阻增大抵消了vds对id的正向作用，因此导致电流id几乎不再随vds增加而变化。此时的d端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到s端！
这个区域为 mos 管的恒流区，也叫饱和区，放大区。
但是因为有沟道调制效应导致沟道长度 l 有变化，所以曲线稍微上翘一点。
重点备注：mos 管与三极管的工作区定义差别
三极管的饱和区：输出电流 ic 不随输入电流 ib 变化。
mos 管的饱和区：输出电流 id 不随输出电压 vds 变化。
3、击穿
vgs 过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。
vds 过大会导致d和衬底之间的反向pn结雪崩击穿，大电流直接流入衬底。
三、 mos 管的开关过程分析
如果要进一步了解mos管的工作原理，剖析mos管由截止到开启的全过程，必须建立一个完整的电路结构模型，引入寄生参数，如下图。
详细开启过程为：
t0~t1阶段：栅极电流对cgs和cgd充电，vgs上升到开启电压vgs（th），此间，mos没有开启，无电流通过，即mos管的截止区。在这个阶段，显然vd电压大于vg，可以理解为电容 cgd 上正下负。
t1~t2 阶段：vgs达到vth后，mos管开始逐渐开启至满载电流值io，出现电流ids，ids与vgs呈线性关系，这个阶段是mos管的可变电阻区，或者叫线性区。
t2~t3阶段：在mos完全开启达到电流io后，栅极电流被完全转移到ids中，导致vgs保持不变，出现米勒平台。在米勒平台区域，处于mos管的饱和区，或者叫放大区。
在这一区域内，因为米勒效应，等效输入电容变为（1+k）cgd。
米勒效应如何产生的：
在放大区的 mos管，米勒电容跨接在输入和输出之间，为负反馈作用。具体反馈过程为：vgs 增大》mos开启后vds开始下降》因为米勒电容反馈导致vgs 也会通过cgd放电下降。这个时候，因为有外部栅极驱动电流，所以才会保持了vgs 不变，而vds还在下降。
t3~t4阶段：渡过米勒平台后，即cgd反向充电达到vgs，vgs继续升高至最终电压，这个电压值决定的是mos管的开启阻抗ron大小。
我们可以通过仿真看下具体过程：
由上面的分析可以看出米勒平台是有害的，造成开启延时，不能快速进入可变电阻区，导致损耗严重，但是这个效应又是无法避免的。
目前减小 mos 管米勒效应的几种措施：
a：提高驱动电压或者减小驱动电阻，目的是增大驱动电流，快速充电。但是可能因为寄生电感带来震荡问题。
b： zvs 零电压开关技术是可以消除米勒效应的，即在 vds 为 0 时开启沟道，在大功率应用时较多。
c： 栅极负电压驱动，增加设计成本。
d： 有源米勒钳位。即在栅极增加三极管，关断时拉低栅极电压。
四、mos 管的驱动应用
上面已经详细介绍了 mos 管的工作机制，那么我们再来看 datasheet 这些参数就一目了然了。
极限值参数代表应用时的最高范围，功耗和散热是高功率应用时的重点。
功率应用中尤其考虑导通电阻、米勒电容等，高速应用中重点考虑寄生电容。
漏电流的参数一般影响的是大规模集成芯片的功耗。
反向恢复时间是一个重要参数，它表示 mos 管由开启到截止的恢复时间，时间太长会极大影响速度和功耗。
体二极管：
在分立器件nmos管中，s端一般衬底，所以导致ds之间有一个寄生二极管。
但是在集成电路内部，s端接低电位或者高电位，不一定接衬底，所以就不存在寄生二极管。
寄生二极管具有保护 mos 管的作用，导出瞬间反向的大电流。
mos 的驱动是应用设计的重点，接下来我们聊聊有哪些驱动方式和特点。
4.1 直接驱动
驱动芯片直接输出 pwm 波
特点：驱动环路距离不能太远，否则因为寄生电感降低开关速度和导致振铃。另外，一般驱动器也难以提供很大的驱动电流。
4.2 推挽式驱动
pwm 驱动通过推挽结构来驱动栅极
特点：实现较小的驱动环路和更大的驱动电流，栅极电压被钳位在 vb+vbe 和 gnd 与vbe 之间。
4.3 栅极驱动加速电路
并联二极管可以分流，但是随着电压降低，二极管逐渐失去作用。
4.4 pnp关断电路
特点：pnp 在关断时形成短路放电，但是无法完全为 0，二极管 don 可以钳位防止三极管击穿。
五、小结
以上大概详细介绍了mos管这一半导体基础元器件的工作原理和应用，具体到工作中还需要的是实际测试和实验，特别是不断在一些应用中，尤其是应用问题中加深理解。这样或许才能真正的把相关基础知识融入到自己的能力中，游刃有余的解决技术问题。搞技术嘛，和做人一样，从小处做，往高处看。
参考：
power mosfet avalanche guideline----sungmoyoung， application engineer
analysis of dv/dt induced spurious turn-onof mosfet
prediction of mos switching-off loss basedon parameters of datasheet
power mos fet application note
design and application guide for highspeedmosfet gate drive circuits
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mos 管作为半导体领域最基础的器件之一，无论是在ic 设计里，还是板级电路应用上，都十分广泛。
目前尤其在大功率半导体领域，各种结构的 mos 管更是发挥着不可替代的作用。作为一个基础器件，往往集简单与复杂与一身，简单在于它的结构，复杂在于基于应用的深入考量。
因此，作为硬件开发者，想在电路设计上进阶，搞懂 mos 管是必不可少的一步，今天来聊聊。
一、 mos 管的半导体结构
作为半导体器件，它的来源还是最原始的材料，掺杂半导体形成的 p 和 n 型物质。
那么，在半导体工艺里，如何制造 mos 管的？
这就是一个 nmos 的结构简图，一个看起来很简单的三端元器件。具体的制造过程就像搭建积木一样，在一定的地基（衬底）上依据设计一步步“盖”起来。
mos 管的符号描述为：
二、 mos 管的工作机制
以增强型 mos 管为例，我们先简单来看下 mos 管的工作原理。
由上图结构我们可以看到 mos 管类似三极管，也是背靠背的两个pn结！三极管的原理是在偏置的情况下注入电流到很薄的基区通过电子-空穴复合来控制ce之间的导通，mos 管则利用电场来在栅极形成载流子沟道来沟通ds之间。
如上图，在开启电压不足时，n区和衬底p之间因为载流子的自然复合会形成一个中性的耗尽区。
给栅极提供正向电压后，p区的少子（电子）会在电场的作用下聚集到栅极氧化硅下，最后会形成一个以电子为多子的区域，叫反型层，称为反型因为是在p型衬底区形成了一个n型沟道区。这样ds之间就导通了。
下图是一个简单的mos管开启模拟：
这是mos管电流id随vgs变化曲线，开启电压为1.65v。下图是mos管的ids和vgs与vds 之间的特性曲线图，类似三极管。
下面我们先从器件结构的角度看一下mos管的开启全过程。
1、vgs 对mos 管的开启作用
一定范围内 vgs》vth，vds
vgs 为常数时，vds 上升，id 近似线性上升，表现为一种电阻特性。
vds 为常数时，vgs 上升，id 近似线性上升，表现出一种压控电阻的特性。
即曲线左边
2、vds对mos管沟道的控制
当vgs》vth，vds
当vds》vgs-vth后，我们可以看到因为ds之间的电场开始导致右侧的沟道变窄，电阻变大。所以电流id增加开始变缓慢。当vds增大一定程度后，右沟道被完全夹断了！
此时ds之间的电压都分布在靠近d端的夹断耗尽区，夹断区的增大即沟道宽度w减小导致的电阻增大抵消了vds对id的正向作用，因此导致电流id几乎不再随vds增加而变化。此时的d端载流子是在强电场的作用下扫过耗尽区达到s端！
这个区域为 mos 管的恒流区，也叫饱和区，放大区。
但是因为有沟道调制效应导致沟道长度 l 有变化，所以曲线稍微上翘一点。
重点备注：mos 管与三极管的工作区定义差别
三极管的饱和区：输出电流 ic 不随输入电流 ib 变化。
mos 管的饱和区：输出电流 id 不随输出电压 vds 变化。
3、击穿
vgs 过大会导致栅极很薄的氧化层被击穿损坏。
vds 过大会导致d和衬底之间的反向pn结雪崩击穿，大电流直接流入衬底。
三、 mos 管的开关过程分析
如果要进一步了解mos管的工作原理，剖析mos管由截止到开启的全过程，必须建立一个完整的电路结构模型，引入寄生参数，如下图。
详细开启过程为：
t0~t1阶段：栅极电流对cgs和cgd充电，vgs上升到开启电压vgs（th），此间，mos没有开启，无电流通过，即mos管的截止区。在这个阶段，显然vd电压大于vg，可以理解为电容 cgd 上正下负。
t1~t2 阶段：vgs达到vth后，mos管开始逐渐开启至满载电流值io，出现电流ids，ids与vgs呈线性关系，这个阶段是mos管的可变电阻区，或者叫线性区。
t2~t3阶段：在mos完全开启达到电流io后，栅极电流被完全转移到ids中，导致vgs保持不变，出现米勒平台。在米勒平台区域，处于mos管的饱和区，或者叫放大区。
在这一区域内，因为米勒效应，等效输入电容变为（1+k）cgd。
米勒效应如何产生的：
在放大区的 mos管，米勒电容跨接在输入和输出之间，为负反馈作用。具体反馈过程为：vgs 增大》mos开启后vds开始下降》因为米勒电容反馈导致vgs 也会通过cgd放电下降。这个时候，因为有外部栅极驱动电流，所以才会保持了vgs 不变，而vds还在下降。
t3~t4阶段：渡过米勒平台后，即cgd反向充电达到vgs，vgs继续升高至最终电压，这个电压值决定的是mos管的开启阻抗ron大小。
我们可以通过仿真看下具体过程：
由上面的分析可以看出米勒平台是有害的，造成开启延时，不能快速进入可变电阻区，导致损耗严重，但是这个效应又是无法避免的。
目前减小 mos 管米勒效应的几种措施：
a：提高驱动电压或者减小驱动电阻，目的是增大驱动电流，快速充电。但是可能因为寄生电感带来震荡问题。
b： zvs 零电压开关技术是可以消除米勒效应的，即在 vds 为 0 时开启沟道，在大功率应用时较多。
c： 栅极负电压驱动，增加设计成本。
d： 有源米勒钳位。即在栅极增加三极管，关断时拉低栅极电压。
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上面已经详细介绍了 mos 管的工作机制，那么我们再来看 datasheet 这些参数就一目了然了。
极限值参数代表应用时的最高范围，功耗和散热是高功率应用时的重点。
功率应用中尤其考虑导通电阻、米勒电容等，高速应用中重点考虑寄生电容。
漏电流的参数一般影响的是大规模集成芯片的功耗。
反向恢复时间是一个重要参数，它表示 mos 管由开启到截止的恢复时间，时间太长会极大影响速度和功耗。
体二极管：
在分立器件nmos管中，s端一般衬底，所以导致ds之间有一个寄生二极管。
但是在集成电路内部，s端接低电位或者高电位，不一定接衬底，所以就不存在寄生二极管。
寄生二极管具有保护 mos 管的作用，导出瞬间反向的大电流。
mos 的驱动是应用设计的重点，接下来我们聊聊有哪些驱动方式和特点。
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驱动芯片直接输出 pwm 波
特点：驱动环路距离不能太远，否则因为寄生电感降低开关速度和导致振铃。另外，一般驱动器也难以提供很大的驱动电流。
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特点：实现较小的驱动环路和更大的驱动电流，栅极电压被钳位在 vb+vbe 和 gnd 与vbe 之间。
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参考：
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