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前面花了10篇聊三极管,现在我们开始聊MOS管。关于MOS管的文章,例如MOS管的参数解析等,网上很多,这里就不写了,我们还是针对具体问题具体分析。在问题求证过程中,查漏补缺。
1、一道问题
关于MOS管的Rdson的解释,网上搜出来的内容都差不多,比如:①在特定Vgs 、结温及Id条件下, MOS管导通时d-s间最大阻抗;②MOS管导通时,漏极D和源极S之间的电阻值。上面的说法都对,但是我感觉这种描述还不够具体。
我问一个问题: 我们都知道MOS管分可变电阻区、恒流区(饱和区)、截止区。Rdson电阻是对应MOS管的哪个工作区?A:可变电阻区;B:恒流区;C:截止区这道选择题,你会选哪个?
关注这个号的人,大都已经不是学生了,做题不能再全靠蒙,要负责任,最好能说出你的理由。C应该最先排除,我想这个应该没有疑问,关键点就在于是选A还是选B。
2、只有Vgs时
要想弄清楚这个问题,我们需要先搞清楚MOS管内部的工作机理。下图是N沟道增强型的MOS管内部构造,具体我就不展开介绍了。
当d-s短路(暂时不加入电压),只在g-s两端加入电压Vgs。当Vgs增大到一定值(Vth),此时栅极附近的P型衬底中的空穴被向下排斥,衬底中的少子(电子)被向上吸引,进而形成反型层,产生N型导电沟道。
在这个过程中,Vgs加大,导电沟道宽度增加;Vgs减小,沟道宽度就减小。由此可见,g-s间的电压Vgs对导电沟通到宽度有控制作用。而这个导电沟道就表现为一个电阻特性:Vgs变化,电阻变化;Vgs不变,电阻不变。如果此时在d-s稍微加一点电压Vds,则会有Id出现。
3、Vgs和Vds同时存在时
在Vgs>Vth且保持不变的条件下,如下图所示,在d-s间增加一个小的Vds电压。
Vds的存在,使得Vgd存在电压。Vgd=Vgs+Vsd=Vgs-Vds>=Vth,即Vds<=Vgs-Vth时,导电沟道会一直存在,但由于Vgs和Vgd不相等,准确地说是Vgs>Vgd,沟道两端会形成电位梯度进而导致沟道宽度不均匀,靠近源极的一侧宽度大,靠近漏极一侧宽度小,呈梯形结构。
如果Vds继续增大,使得Vgd=Vgs-Vds进一步减小,当Vgd=Vth,即Vds=Vgs-Vth,如下图所示,即进入预夹断状态。在此之前,MOS管是处于可变电阻区。
在可变电阻区内,Vds增大,Id也增大,它们是呈比例增加,这个比例关系就是电阻Rds。而这个Rds只受Vgs控制。
如果Vds继续增大,使得Vgd=Vgs-Vds进一步减小,当Vgd<Vth,即Vds=Vgs-Vth,如下图所示,即进入恒流状态,饱和区。注意此时沟道并没有被真的夹断,只是夹断缝隙变长,依然有电流Id存在。Vds增加的部分主要用于克服沟道的电阻,Id几乎不变,Id几乎仅仅取决于Vgs。
4、从沟道状态解析
解释完Vgs和Vds分别对MOS管的作用,以及从可变电阻区到恒流区的过程,再回到文章开头的问题:Rdson电阻对应是MOS管的哪个区?
(1)处于可变电阻区时,导电沟通是畅通的,此时的Id和Vds是呈线性比例关系。在同一个Vgs条件下,比例关系固定;(2)处于恒流区时,导电沟道是部分夹断状态,此时的Id不随Vds增加而变化,几乎仅取决于Vgs。
前面在解释Rsdon时,提到MOS管导通,因此此时应该选择导电沟通畅通的情况,因此应是处于可变电阻区。
5、从阻抗量级解析
如果只是单纯从导电沟通的状态上解析,还不够充分。那么咱们再从Rdson阻抗量级来做具体分析。
以Nexperia的PMPB14R8XN为例,具体看一下MOS管的Id和Vds的输出特性曲线,如上图所示,注意X轴是电压Vds,Y轴是电流Id。
(1)处于可变电阻区,曲线斜率k非常大,取倒数,就是电阻Rds非常小;
(2)处于恒流区,曲线斜率k非常小,取倒数,就是电阻Rds非常大。
在恒流区,Rds很大,也很容易理解,因为导电沟道已经部分夹断,夹断缝隙很长,必然造成阻抗变大。相反,在变阻区,导电沟通畅通,Rds自然很小。
所以,通常我们看到MOS管的Rdson在mΩ级别,如下图所示,PMPB14R8XN的Rdson=18.4mΩ,这必然是可变电阻区的导通电阻。
6、从BJT-MOS对应关系解析
其实回答这个问题,有一个更取巧的方法。我们都知道三极管有三个区,MOS也有三个区。只要你知道它们的对应关系,直接按照三极管的状态去做选择即可。对应关系如下表所示:
本文问题中需要的是MOS管导通,对应三极管处于导通。三极管导通,即处于饱和区;对应到MOS管上即为可变电阻区。
7、总 结
先聊到这里,现在梳理下今天讨论的内容:①只有Vgs时,Vgs对MOS管导电沟道宽度的控制作用;②Vgs和Vds同时存在时,对MOS管漏极电流Id的影响;③解析MOS管从可变电阻区到恒流区的过渡过程;
④从沟道状态、阻抗量级、对应关系等三种维度解析Rdson电阻对应的工作区。
怎么样?一个简短的问题,给出的回答可浅可深。我的助攻只能到这里,能否晋升到陆地神仙境,一剑开天门,就看你的造化了!
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