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解析P沟MOS管工作原理、特性和P沟道MOS管开关电路详解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-07-06 

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P沟MOS管工作原理

金属氧化物半导体场效应(MOS)晶体管可分为N沟道与P沟道两大类,P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区,分别叫做源极和漏极,两极之间不通导,柵极上加有足够的正电压(源极接地)时,柵极下的N型硅表面呈现P型反型层,成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度,从而改变沟道的电阻。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在P型反型层沟道,加上适当的偏压,可使沟道的电阻增大或减小。这样的MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。统称为PMOS晶体管。


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。


PMOS集成电路是一种适合在低速、低频领域内应用的器件。PMOS集成电路采用-24V电压供电。如图5所示的CMOS-PMOS接口电路采用两种电源供电。采用直接接口方式,一般CMOS的电源电压选择在10~12V就能满足PMOS对输入电平的要求。


MOS场效应晶体管具有很高的输入阻抗,在电路中便于直接耦合,容易制成规模大的集成电路。

P沟MOS管工作原理

P沟道MOS管工作原理的特性

Vgs小于一定的值就会导通,适宜用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。但是,固然PMOS可以很便当地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价钱贵,交流种类少等缘由,在高端驱动中,通常还是运用NMOS。

正常工作时,P沟道增强型MOS管的衬底必需与源极相连,而漏心极的电压Vds应为负值,以保证两个P区与衬底之间的PN结均为反偏,同时为了在衬底顶表面左近构成导电沟道,栅极对源极的电压Vgs也应为负。


1.Vds≠O的情况导电沟道构成以后,DS间加负向电压时,那么在源极与漏极之间将有漏极电流Id流通,而且Id随Vds而增加.Id沿沟道产生的压降使沟道上各点与栅极间的电压不再相等,该电压削弱了栅极中负电荷电场的作用,使沟道从漏极到源极逐渐变窄.当Vds增大到使Vgd=Vgs(TH),沟道在漏极左近呈现预夹断.


2.导电沟道的构成(Vds=0)当Vds=0时,在栅源之间加负电压Vgs,由于绝缘层的存在,故没有电流,但是金属栅极被补充电而聚集负电荷,N型半导体中的多子电子被负电荷排斥向体内运动,表面留下带正电的离子,构成耗尽层,随着G、S间负电压的增加,耗尽层加宽,当Vgs增大到一定值时,衬底中的空穴(少子)被栅极中的负电荷吸收到表面,在耗尽层和绝缘层之间构成一个P型薄层,称反型层,这个反型层就构成漏源之间的导电沟道,这时的Vgs称为开启电压Vgs(th),Vgs到Vgs(th)后再增加,衬底表面感应的空穴越多,反型层加宽,而耗尽层的宽度却不再变化,这样我们可以用Vgs的大小控制导电沟道的宽度。

增强型P沟道mos管开关条件

pmos管作为开关使用时,是由Vgs的电压值来控制S(source源极)和 D(drain漏极)间的通断。


Vgs的最小阀值电压为:0.4v,也就是说当 S(source源极)电压 — G(gate栅极)极    > 0.4V 时, 源极 和 漏极导通。


并且Vs = Vd ,S极电压等于D极电压。


例如:S极 为 3.3V,G极 为0.1V,则  Vgs = Vg  —  Vs = -3.2 pmos管导通,D极电压为3.3V


一般pmos管当做开关使用的时,S极和D极之间几乎没有压降。


在实际使用中,一般G极接MCU控制管脚,S极接电源正极VCC,D极接器件的输入。实际使用中的一个样例如下:

P沟MOS管工作原理

RF_CTRL为低电平的时候,RF_RXD 和 RF_TXD上的电压为 VDD。

下面电路为P沟道MOS管用作电路切换开关使用电路:

P沟MOS管工作原理

电路分析如下:

pmos的开启条件是VGS电压为负压,并且电压的绝对值大于最低开启电压,一般小功率的PMOS管的最小开启电压为0.7V左右,假设电池充满电,电压为4.2V,VGS=-4.2V,PMOS是导通的,电路是没有问题的。当5V电压时,G极的电压为5V,S极的电压为5VV-二极管压降(0.5左右)=4.5V,PMOS管关段,当没有5V电压时,G极电压下拉为0V,S极的电压为电池电压(假设电池充满电4.2V)-MOS管未导通二极管压降(0.5V)=3.7,这样PMOS就导通,二极管压降就没有了这样VGS=-4.2V.PMOS管导通对负载供电。在这里用一个肖特基二极管(SS12)也可以解决这个问题,不过就是有0.3V左右的电压降。这里使用PMOS管,PMOS管完全导通,内阻比较小,优与肖特基,几乎没有压降。不过下拉电阻使用的有点大,驱动PMOS不需要电流的,只要电压达到就可以了,可以使用大电阻,减少工作电流,推荐使用10K-100K左右的电阻。


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