什么是MOS管?
MOS管英文全称MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应管中的绝缘栅型。MOS管道有时被称为绝缘栅场效应管。一般电子电路中，MOS管道通常用于放大电路或放大电路开关电路。
1、MOS管的构造
两种高掺杂浓度的P型半导体硅衬底采用半导体光刻和扩散工艺制作N 两个电极由金属铝引出，分别用作泄漏D和源极S。然后在漏极和源极之间的P型半导体表面覆盖一层薄薄的二氧化硅(Si02)绝缘层膜，然后在绝缘层膜上安装铝电极，作为栅极G。这构成了N沟通(NPN型)增强型MOS管。显然，它的栅极与其它电极绝缘。图1-1所示 A 、B它的结构图和代表符号。
同样，在低混合浓度的N型半导体硅衬底上，用半导体光刻和扩散工艺制作两种高混合浓度的方法P 区域，以及上述相同的栅极生产过程，制成P沟(PNP型)增强型MOS管道如下图所示MOS管道结构图及代表符号。
2、MOS管道的工作原理
增强型MOS泄漏D和源极S之间有两个背靠背PN结。当栅-源电压VGS=0时，即使添加漏电源电压VDS，总有一个PN处于反偏状态，泄漏源极间没有导电沟(没有电流流过)，所以此时漏极电流ID=0。
此时，如果在栅-源极间增加正向电压，即VGS>0.栅极和硅衬底之间SiO在2绝缘层中，由于格栅极指向P型硅衬底的电场氧化物层绝缘，栅极加电压VGS电流无法形成，氧化物层两侧形成一个电容，VGS等效是用电容器充电并形成电场VGS随着栅极正电压的吸引，大量电子聚集在电容器的另一侧，形成从漏极到源极的N型导电沟。VGS大于管子的开启电压VT(一般约为 2V)时，N沟管开始导通，形成漏极电流ID，当开始形成通道时，我们称之为开启电压，一般用VT表示。
控制网极电压VGS通过改变电场的强度，可以控制漏极电流ID这也是大小的目的MOS管用电场控制电流的一个重要特点，也称为场效应管。
3、MOS管的特性
上述MOS从管道的工作原理可以看出，MOS由于管的栅极G和源极S是绝缘的，Sio2绝缘层的存在是电容存在于栅极G和源极S之间，电压VGS产生电场导致源极-漏极电流。此时的栅极电压VGS控制栅极电压决定了漏极电流的大小VGS漏极电流的大小可以控制ID的大小。结论如下：
1) MOS管道是一种由改变电压来控制电流的装置，因此它是一种电压装置。
2) MOS管道输入特性为容性特性，因此输入阻抗极高。
4、MOS电压极性和符号规则
上图为N沟MOS图中D管符号为漏极，S是源极，G是栅极，中间的箭头表示衬底，如果箭头向内表示N沟MOS管道，箭头向外表示P沟MOS管。
在实际MOS在管道生产过程中，衬底在出厂前与源极连接，因此在符号规则中；表示衬底的箭头也必须与源极连接，以区分漏极和源极。
上图是P沟道MOS管的符号。
MOS管道应用电压的极性和我们普通的极性晶体三极管相同，N沟道的类似NPN晶体三极管，漏极D接正极，源极S接负极，栅极G正电压时建立导电沟，N沟道MOS管道开始工作。
类似的P道PNP晶体三极管，漏极D接负极，源极S接正极，栅极G负电压，P沟道MOS管道开始工作。
5、MOS与晶体三极管相比，管道的重要特性
1) 场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极e、基极b、集电极c，它们的功能相似。
2) 场效应管是由电压控制的电流装置VGS控制ID，普通的晶体三极管是电流控制电流器件，由IB控制IC。MOS管道放大系数为(跨导线)gm)当栅极电压发生变化时，会漏极电流变化。晶体三极管是电流放大系数(贝塔β)当基极电流发生变化时，集电极电流会发生变化。
3) 场效应管栅极与其它电极绝缘，无电流；三极管工作时基极电流IB决定集电极电流IC。因此，输入场效应管电阻输入电阻远高于三极管。
4) 只有大多数载流子参与导电；三极管有两种载流子：大多数载流子和少数载流子参与导电。由于少数载流子的浓度受温度、辐射等因素的影响较大，场效应管的温度稳定性优于三极管。
5) 当源极不与衬底连接时，源极和漏极可以交换使用，特性变化不大，而三极管的集电极和发射极交换使用时，其特性差异很大，b 值会减少很多。
6) 场效应管的噪声系数很小，场效应管应选用于低噪声放大电路的输入级和要求高信噪的电路。
7) 场效应管和普通晶体三极管可形成各种放大电路和开关电路，但场效应管制造工艺简单，具有普通晶体三极管无与伦比的优良特性，在各种电路和应用中逐渐取代普通晶体三极管，目前规模大、规模大集成电路现场效应管已广泛应用。
6、在开关电源在电路中，大功率MOS与大功率晶体三极管相比，MOS管的优点
1) 输入阻抗高，驱动功率小——因为格栅源之间有二氧化硅(SiO2)绝缘层，栅源之间的直流电阻基本上就是SiO2绝缘电阻一般达到100MΩ交流输入阻抗基本上是输入电容的容抗。由于输入阻抗高，激励信号不会产生压降，电压可以驱动，所以驱动功率很小(灵敏度高)。一般晶体三极管必须有基极电压Vb，产生基极电流Ib，驱动集电极电流的产生。晶体三极管的驱动需要功率(Vb×Ib)。
2) 开关速度快——MOSFET开关速度与输入容性特性密切相关。由于输入容性特性的存在，开关速度变慢，但作为开关，可以降低驱动电路的内阻，加快开关速度（输入由以下灌流电路驱动，加快容性充放电时间）。MOSFET只有多子导电，没有少子存储效果，所以关闭过程非常快，开关时间为10-100ns工作频率可达100kHz以上，由于少数载流子的存储效应，普通晶体三极管总是滞后，影响开关速度的提高（目前使用）MOS管道开关电源的工作频率很容易达到100K/S～150K/S,这对于普通的大功率晶体三极管来说是难以想象的)。
3) 无二次击穿——由于普通功率晶体三极管在温度升高时会导致集电极电流升高（正温~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。而晶体三极管的耐压VCEO随着管道温度的升高逐渐下降，导致管道温度持续升高，耐压性持续下降，最终导致晶体三极管击穿。这是一种破环热电击穿现象，导致电视开关电源管和行输出管损坏率占95%，也称为二次击穿现象。MOS管道具有与普通晶体三极管相反的温度~电流特性，即当管道温度（或环境温度）升高时，通道电流IDS反而下降。例如;一只IDS=10A的MOS FET开关管，当VGS250C温度下IDS=3A，当芯片温度上升到1000C时，IDS降低到2A，由于温度升高，导致沟电流IDS负温度电流特性下降，不会产生恶性循环和热击穿。也就是MOS管道无二次击穿，可见采用MOS管道作为开关管，其开关管的损坏率大大降低，近两年采用电视开关电源MOS取代过去的普通晶体三极管后，开关管的损坏率大大降低也是一个很好的证明。
4) MOS管道导通后，其导通特性为纯电阻——普通晶体三极管在饱和导通后几乎是直通的，有一个很低的压降，称为饱和压降。既然有压降，那就是；饱和导通后，普通晶体三极管的等效电阻很小，但这种等效电阻是非线性电阻(电阻上的电压和流过的电流不能符合欧姆定律)。而MOS作为开关管的应用，饱和导通后也有很小的电阻，但这种电阻等效于线性电阻。电阻值与两端的电压降和流过的电流符合欧姆定律。电流大压降大，电流小压降小。由于导通后等效是线性元件，线性元件可以并联应用。当这两个电阻并联在一起时，就会有自动电流平衡。所以MOS当管道功率不足时，多管并联应用，无需额外增加平衡措施(非线性器件不能直接并联应用)。
MOS管和普通的晶体三极管相比，有以上四项优点，就足以使MOS在开关应用状态下，管道完全取代普通晶体三极管。目前的技术MOS管道VDS能做到1000V，随着制造工艺的不断进步，只能作为开关电源的开关管应用，VDS随着显像管电视机显像管电视的行输出管的不断改进。
灌流电路是什么？
1、MOS作为开关管的特殊驱动电路
MOS与普通晶体三极管相比，管道有许多优点，但作为大功率开关管，由于MOS管道具有容性输入特性，MOS管道的输入端相当于一个小电容器，输入的开关激励信号实际上是在反复充放电这个电容器的过程中，在充放电的过程中MOS导管和关闭滞后，减缓了开和关的过程，这是开关元件不允许的(功耗增加，开关管烧坏)。
压波形变成B畸变波形，导致开关管不能正常工作和损坏，解决方案是，只要R足够小，甚至没有电阻，激励信号可以提供足够的电流，可以使等效电容快速充放电，使MOS开关管可快速开、关，保证正常工作。由于激励信号有内阻，信号的激励电流有限，我们正在作为开关管MOS如下图所示，在管道的输入部分增加了一个灌流电路，以减少内阻，增加激励电流。
在上图中，作为开关应用MOS管Q3.栅极S和激励信号之间的增加Q1、Q两个开关管，两个管都是普通的晶体三极管，两个管串联连接，Q1为NPN型Q2为PNP类型，基极连接在一起(实际上是一个PNP、NPN互补射极跟随器)，两个管的等效性是两个在方波激励信号控制下轮流导通的开关，如下图A和B。
当激励方波信号的正半周到来时；晶体三极管Q1(NPN)导通、Q2(PNP)截止，VCC经过Q1导通对MOS开关管Q因为Q一是饱和导通，VC等效是直接加到MOS管Q3的栅极，瞬间充电电流极大，充电时间极短，保证了MOS开关管Q3的迅速的“开”，如图A所示(图A和图B中的电容C为MOS管栅极S的等效电容)。
当激励方波信号的负半周来到时;晶体三极管Q1(NPN)截止、Q2(PNP)导通，MOS开关管Q3的栅极所充的电荷，经过Q2迅速放电，由于Q2是饱和导通，放电时间极短，保证了MOS开关管Q3的迅速的“关”，如上图B所示。
由于MOS管在制造工艺上栅极S的引线的电流容量有一定的限度，所以在Q1在饱和导通时VCC对MOS管栅极S的瞬时充电电流巨大，极易损坏MOS管的输入端，为了保护MOS管的安全，在具体的电路中必须采取措施限制瞬时充电的电流值，在栅极充电的电路中串接一个适当的充电限流电阻R，如下图A所示。
充电限流电阻R的阻值的选取;要根据MOS管的输入电容的大小，激励脉冲的频率及灌流电路的VCC(VCC一般为12V)的大小决定一般在数十姆欧到一百欧姆之间。
由于充电限流电阻的增加，使在激励方波负半周时Q2导通时放电的速度受到限制(充电时是VCC产生电流，放电时是栅极所充的电压VGS产生电流，VGS远远小于VCC,R的存在大大的降低了放电的速率)使MOS管的开关特性变坏，为了使R阻值在放电时不影响迅速放电的速率，在充电限流电阻R上并联一个形成放电通路的二极管D，上图B所示。此二极管在放电时导通，在充电时反偏截止。这样增加了充电限流电阻和放电二极管后，既保证了MOS管的安全，又保证了MOS管，“开”与“关”的迅速动作。
2、另一种灌流电路
灌流电路的另外一种形式，对于某些功率较小的开关电源上采用的MOS管往往采用了下图A的电路方式。
图中 D为充电二极管，Q为放电三极管(PNP)。工作过程是这样，当激励方波正半周时，D导通，对MOS管输入端等效电容充电(此时Q截止)，在当激励方波负半周时，D截止，Q导通，MOS管栅极S所充电荷，通过Q放电，MOS管完成“开”与“关”的动作，如上图B所示。此电路由激励信号直接“灌流”，激励信号源要求内阻较低。该电路一般应用在功率较小的开关电源上。
3、MOS管开关应用必须设置泄放电阻
MOS管在开关状态工作时;Q1、Q2是轮流导通，MOS管栅极是在反复充电、放电的状态，如果在此时关闭电源，MOS管的栅极就有两种状态;一个状态是;放电状态，栅极等效电容没有电荷存储，一个状态是;充电状态，栅极等效电容正好处于电荷充满状态，如下图A所示。
虽然电源切断，此时Q1、Q2也都处于断开状态，电荷没有释放的回路，MOS管栅极的电场仍然存在(能保持很长时间)，建立导电沟道的条件并没有消失。这样在再次开机瞬间，由于激励信号还没有建立，而开机瞬间MOS管的漏极电源(VDS)随机提供,在导电沟道的作用下，MOS管即刻产生不受控的巨大漏极电流ID，引起MOS管烧坏。
为了避免此现象产生，在MOS管的栅极对源极并接一只泄放电阻R1，如下图B所示，关机后栅极存储的电荷通过R1迅速释放，此电阻的阻值不可太大，以保证电荷的迅速释放，一般在5K～数10K左右。
灌流电路主要是针对MOS管在作为开关管运用时其容性的输入特性，引起“开”、“关”动作滞后而设置的电路，当MOS管作为其他用途;例如线性放大等应用，就没有必要设置灌流电路。
实例应用电路分析
初步的了解了以上的关于MOS管的一些知识后，一般的就可以简单的分析，采用MOS管开关电源的电路了。
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屏开关电源 - PFC电源部分电原理图)
(图2：图1的等效电路框图)
图1所示，是三星V2屏等离子开关电源的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，采用了两只MOS管Q1、Q2并联应用(图2所示;是该并联开关电源等效电路图，图中可以看出该并联开关电源是加在整流桥堆和滤波电容C5之间的)，图中Q3、Q4是灌流激励管，Q3、Q4的基极输入开关激励信号， VCC-S-R是Q3、Q4的VCC供电(22.5V)。
两只开关管Q1、Q2的栅极分别有各自的充电限流电阻和放电二极管，R16是Q2的在激烈信号为正半周时的对Q2栅极等效电容充电的限流电阻，D7是Q2在激烈信号为负半周时的Q2栅极等效电容放电的放电二极管，同样R14、D6则是Q1的充电限流电阻和放电的放电二极管。R17和R18是Q1和Q2的关机栅极电荷泄放电阻。D9是开机瞬间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
下图所示，是三星V4屏开关电源PFC激励部分电原理图，可以看出该V4屏电路激励部分原理相同于V2屏。只是在每一只大功率MOS开关管的栅极泄放电阻(R209、R206)上又并联了过压保护二极管：ZD202、ZD201及ZD204、ZD203。
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寸～46寸均采用该开关电源，电源采用了复合集成电路SMA—E1017(PFC和PWM共用一块复合激励集成电路)，同样该PFC开关电源部分也是一个并联的开关电源，图3-4所示。TE001是储能电感、DE004是开关电源的整流管、QE001、QE002是两只并联的大功率MOS开关管。该集成电路的PFCOUTPUT端子是激励输出，RE008、RE009、RE010、VE001、DE002、RE011、DE003组成QE001和QE002的灌流电路。
下图所示为灌流电路的等效电路，从图中，可以清晰的看出该灌流电路的原理及各个元件的作用。
从等效电路图来分析，集成电路的激励输出端(PFCOUTPUT端子)，输出方波的正半周时DE002导通，经过RE008、RE010对MOS开关管QE001和QE002的栅极充电，当激励端为负半周时，DE002截止，由于晶体三极管VE001是PNP型，负半周信号致使VE001导通，此时;QE001和QE002的栅极所充电荷经过VE001放电，MOS管完成“开”、“关”周期的工作。从图3-5的分析中，RE011作用是充电的限流电阻，而在放电时由于VE001的存在和导通，已经建立了放电的回路，DE003的作用是加速VE001的导通，开关管关闭更加迅速。
开头的图所示的是原理图是PFC开关电源及PWM开关电源的电原理图，该电路中的集成电路MSA-E1017是把PFC部分的激励控制和PWM部分激励控制复合在一块集成电路中，下图是原理框图，图中的QE003及TE002是PWM开关电源的开关管及开关变压器，RE050是QE003的充电限流电阻、DE020是其放电二极管。
关于MOS管一直是工程师热衷讨论的话题之一，于是我们整理了常见及不常见的MOS管的相关知识，希望对各位工程师有所帮助。下面让我们一起来聊聊MOS管这个非常重要的元器件吧!
防静电保护
MOS管是属于绝缘栅场效应管，栅极是无直流通路，输入阻抗极高，极易引起静电荷聚集，产生较高的电压将栅极和源极之间的绝缘层击穿。早期生产的MOS管大都没有防静电的措施，所以在保管及应用上要非常小心，特别是功率较小的MOS管，由于功率较小的MOS管输入电容比较小，接触到静电时产生的电压较高，容易引起静电击穿。
而近期的增强型大功率MOS管则有比较大的区别，首先由于功能较大输入电容也比较大，这样接触到静电就有一个充电的过程，产生的电压较小，引起击穿的可能较小，再者现在的大功率MOS管在内部的栅极和源极有一个保护的稳压管DZ(如下图所示)，把静电嵌位于保护稳压二极管的稳压值以下，有效的保护了栅极和源极的绝缘层，不同功率、不同型号的MOS管其保护稳压二极管的稳压值是不同的。虽然MOS管内部有了保护措施，我们操作时也应按照防静电的操作规程进行，这是一个合格的维修员应该具备的。
检测与代换
在修理电视机及电器设备时，会遇到各种元器件的损坏，MOS管也在其中，这就是我们的维修人员如何利用常用的万用表来判断MOS管的好坏、优劣。在更换MOS管时如果没有相同厂家及相同型号，如何代换的问题。
1、MOS管的测试：
作为一般的电器电视机维修人员在测量晶体三极管或二极管时，一般是采用普通的万用表来判断三极管或者二极管的好坏，虽然对所判断的三极管或二极管的电气参数没法确认，但是只要方法正确对于确认晶体三极管的“好”与“坏”还是没有问题的。同样MOS管也可以应用万用表来判断其“好”与“坏”,从一般的维修来说，也可以满足需求了。
检测必须采用指针式万用表(数字表是不适宜测量半导体器件的)。对于功率型MOSFET开关管都属N沟道增强型，各生产厂的产品也几乎都采用相同的TO-220F封装形式(指用于开关电源中功率为50—200W的场效应开关管)，其三个电极排列也一致，即将三只引脚向下，打印型号面向自巳，左侧引脚为栅极，右测引脚为源极，中间引脚为漏极如下图所示。
1)万用表及相关的准备：
首先在测量前应该会使用万用表，特别是欧姆档的应用，要了解欧姆挡才会正确应用欧姆挡来测量晶体三极管及MOS管。
用万用表的欧姆挡的欧姆中心刻度不能太大，最好小于12Ω(500型表为12Ω)，这样在R×1挡可以有较大的电流，对于PN结的正向特性判断比较准确。万用表R×10K挡内部的电池最好大于9V，这样在测量PN结反相漏电流时比较准确，否则漏电也测不出来。
现在由于生产工艺的进步，出厂的筛选、检测都很严格，我们一般判断只要判断MOS管不漏电、不击穿短路、内部不断路、能放大就可以了，方法极为简单：
采用万用表的R×10K挡;R×10K挡内部的电池一般是9V加1.5V达到10.5V这个电压一般判断PN结点反相漏电是够了，万用表的红表笔是负电位(接内部电池的负极)，万用表的黑表笔是正电位(接内部电池的正极)，如上图所示。
2)测试步骤：
把红表笔接到MOS管的源极S;把黑表笔接到MOS管的漏极D，此时表针指示应该为无穷大，如下图所示。如果有欧姆指数，说明被测管有漏电现象，此管不能用。
保持上述状态;此时用一只100K～200K电阻连接于栅极和漏极，如下图所示;这时表针指示欧姆数应该越小越好，一般能指示到0欧姆，这时是正电荷通过100K电阻对MOS管的栅极充电，产生栅极电场，由于电场产生导致导电沟道致使漏极和源极导通，所以万用表指针偏转，偏转的角度大(欧姆指数小)证明放电性能好。
此时在上图的状态;再把连接的电阻移开，这时万用表的指针仍然应该是MOS管导通的指数不变，如下图所示。虽然电阻拿开，但是因为电阻对栅极所充的电荷并没有消失，栅极电场继续维持，内部导电沟道仍然保持，这就是绝缘栅型MOS管的特点。如果电阻拿开表针会慢慢的逐步的退回到高阻甚至退回到无穷大，要考虑该被测管栅极漏电。
这时用一根导线，连接被测管的栅极和源极，万用表的指针立即返回到无穷大，如上图所示。导线的连接使被测MOS管，栅极电荷释放，内部电场消失;导电沟道也消失，所以漏极和源极之间电阻又变成无穷大。
2、MOS管的更换
在修理电视机及各种电器设备时，遇到元器件损坏应该采用相同型号的元件进行更换。但是，有时相同的元件手边没有，就要采用其他型号的进行代换，这样就要考虑到各方面的性能、参数、外形尺寸等，例如电视的里面的行输出管，只要考虑耐压、电流、功率一般是可以进行代换的(行输出管外观尺寸几乎相同)，而且功率往往大一些更好。
对于MOS管代换虽然也是这一原则，最好是原型号的最好，特别是不要追求功率要大一些，因为功率大;输入电容就大，换了后和激励电路就不匹配了，激励灌流电路的充电限流电阻的阻值的大小和MOS管的输入电容是有关系的，选用功率大的尽管容量大了，但输入电容也就大了，激励电路的配合就不好了，这反而会使MOS管的开、关性能变坏。所示代换不同型号的MOS管，要考虑到其输入电容这一参数。
例如有一款42寸液晶电视的背光高压板损坏，经过检查是内部的大功率MOS管损坏，因为无原型号的代换，就选用了一个，电压、电流、功率均不小于原来的MOS管替换，结果是背光管出现连续的闪烁(启动困难)，最后还是换上原来一样型号的才解决问题。
检测到MOS管损坏后，更换时其周边的灌流电路的元件也必须全部更换，因为该MOS管的损坏也可能是灌流电路元件的欠佳引起MOS管损坏。即便是MOS管本身原因损坏，在MOS管击穿的瞬间，灌流电路元件也受到伤害，也应该更换。就像我们有很多高明的维修师傅在修理A3开关电源时;只要发现开关管击穿，就也把前面的2SC3807激励管一起更换一样道理(尽管2SC3807管，用万用表测量是好的)。
原文标题：一文学会MOS管相关问题
文章出处：【微信号：WW_CGQJS，微信公众号：MEMS技术】