MOS管内部结构及导通过程

MOS管内部结构及导通过程知识总结，包括MOS管简析、MOS管的本质、开关损耗、米勒效应、MOS管导通过程等内容。

28、MOS管内部结构及导通过程

• MOS管简析
  • P 衬底里的圆圈表示的是里面有大量的空穴和 N+里面有大量的电子一个道理，但是，P衬底里面还会注入少量的电子
  • 当 N型半导体和 P型半导体相结合时，会在结合面有一个“耗尽层”，这是因为电子和空穴相互结合，它们结合后，又把其他的给挡住了，所以是很薄的一层，定性理解即可
  • 满涂一层氧化物是绝缘的
  • 从两边的N+半导体引出两根导线，分别给它起一个名字，S叫做源极Source， D叫做漏极Drain
  • 我们在氧化物的上面加一层金属导体，P 衬底下面也加一成金属导体，不同是，G端的金属导体和其他都是绝缘的，因为由氧化物隔离开来了
  • 内部是把 S 和 B 连在了一起，所以，MOS 管对外呈现的是 3 个引脚
• MOS管的本质
  • 在GS之间加一个正向电压，由于S和B接在一起，是不是相当于在G端的金属板和P衬底之间，加了一个正向电压
    • G和P衬底是不是相当于电容的两个极板，构成了一个Cgs电容 在GS之间加一个正向电压，是不是相当于给Cgs电容充电
  • 给 GS 加正向电压后，G 端金属板上是不是聚集了正电荷，P 衬底的顶部是不是聚集了负电荷，因为异性相吸，当P衬底的负电荷跑上去之后，会和里面原本的大量空穴结合
    • 图中箭头示意的，但是，此时左右两边的 N半导体并不是导通的，也就是说， DS还没有导通，要想导通，得让Cgs电压继续上升
  • 续加压时，这里同时发生两件事，由于 G端聚集了更多的正电荷，所以让 P区的正电荷（空穴）往下移动，同时，也和之前一样，吸引P区少量的负电荷（电子）
    • 把P衬底顶部的空穴排斥走之后，只剩下了电子，其实这就是形成了一条N沟道
  • 加大GS电压，这样的话，就会让 N沟道变宽，我们说，当Cgs电容上的电压Vgs达到10V以上时，DS之间的电阻才不会变化明显。
    • 本质就是给Cgs电容充电，只要充满电，只需要维持GS这个电位，在不消耗任何能量的情况下，可以让MOS管DS一直导通
• 开关损耗
  • MOS管不断开关开关的过程中，是不是 DS 之间的阻抗在无穷大→阻抗极小值，来回变化的一个过程，DS之间的阻抗Rdson
  • 所以，要想 MOS 管开关损耗小，是不是让 Cgs 快速的开通，或者快速的关断，但是，事实并不是我们想象的那么完美，MOS管不能开太快的，因为太快了，会产生震荡，损耗更大，甚至导致MOS管直接烧掉
• MOS管导通过程
  • 导通曲线
    • MOS 管并不是达到平台电压，才刚刚导通的，而是在稍稍低一丁点的电压就开始导通了，这个电压我们叫做 MOS 管的开通阈值电压，
      • t0~t1这两条线，那么，我们刚才分析过，t1~t3其实是MOS管的开通过程对吧，所以，Vds必定是从310V下降到一个很小的值，是吧，毕竟Rdson*Id是有一定压降的 那么，Id是从0变成最大值是吧，在开通过程中。
    • 在t1~t3之间，Vds是从 310V到几乎0V是吧，Id是从0A到一个系统最大的电流 在 t1~t3这个过程是不是Δt啊，Vds从310V下降到几乎0V，是不是ΔV啊，ΔV/Δt是不是dv/dt 开通的越快，dt 越小， dv/dt 越大，因为 dv 肯定不变，而dv/dt是不是EMI干扰源
      • MOS 管的开关损耗和 EMI 干扰是一个矛盾的事情，要想开关损耗降到很低，就需要让MOS 管开通更快一些，但是我们说，斜率更陡，高次谐波分量越多，
  • 导通震荡
    • D 端会来一个 dv/dt 的高频信号，这个高频信号会通过 Cgd 米勒电容，影响到G端电位，也就是Vgs，我们知道，器件和PCB走线都会存在寄生电感，同样的，也会存在寄生电容，就构成了LC震荡
      • 这种 dv/dt 会造成 Vgs 产生震荡，是由寄生参数引起的 LC 震荡，震荡的源就是dv/dt，dv/dt本身就是干扰源，由它引起的米勒平台震荡，这个频率会更高，也就是说震荡也会产生新的 dv/dt，频率会更高，不仅让 MOS 管发热严重，有时甚至损坏，从 EMI 角度来说，会更差
    • Vds 的 dv/dt 是不是 310V/（t3-t1）啊？也就是图中绿色的线，那么，由于在开通过程中产生的dv/dt，造成更高频率的，粉色的dv/dt 同样的，在t1~t3之间，产生了di/dt是吧，大家发现没有，这些都是EMI的源头是吧对于开关电源来说，MOS管引起的EMI干扰源，这就是本质
      • 对于BUCK电路来说，是不是要解决有干扰源引起的传导和辐射啊，我们知道从哪里来，在哪里，到哪里去。 BUCK电源是解决LDO解决不了的问题，同时也导致新的问题产生，这就是BUCK电源干扰的产生。
• 米勒效应
  • 我们在分析实际电路时，要考虑D端电位，在MOS管没开通前是310V，此时，右边的耗尽层就会变厚，这是因为D和S构成了一个二极管，在MOS管的原理图符号中，有一个体二极管
    • DS之间电压已经是 310V的情况下，这时候我们再分析 Vgs 电压上升的过程，就和之前不同了。
  • 此时沟道的形成，是一个斜三角了 为什么是斜三角？ GS之间有Cgs电容是吧，但是，DS之间也会有电容，GS如果叫做竖向电场的话，那么DS在这里可以叫做横向电场 Cgs 电容充到一定程度的时候，在 P 衬底的顶层聚集的电子，会被横向强大的电场给吸走了
    • 当Vgs达到一定电压时，衬底上面的电子会被310V更强大的电场给吸走对吧，所以，即使GS辛辛苦苦好不容易吸来的电子，被310V抢走了，G端吸引一点，D端就会抢走一点， 导致Vgs 升不上去啊，因为 Cgs 两端电压的大小，取决于正负电荷的多少，但是，负电荷来一点，被吸走一点，电压就上不去了（t2~t3） 所以，在 t2~t3 之间，Vgs 电压就会呈现出来一个平台了，上不去了，对的，这个平台有一个名字：米勒平台 DS电压越大，米勒平台时间越长 增大GS电压也可以减小米勒平台时间
• 问答
  • 问：这个体二极管是P衬底与D之间形成吗？ 答：是的。
  • 问：那不加DS，就没平台了？ 答：LLC就是利用了这个原理，如果我们在DS之间压差=0时开通，不就没有米勒平台，也就没有损耗了嘛
  • 问：是否可以理解为dv/dt通过米勒电容传到G端，导致Vgs电压变化，再加上LC寄生参数形成LC振荡？ 答：可以的。
  • 问：前面是形成米勒平台？那这个米勒电容和米勒平台关系是怎么定义? 答：米勒电容是 Cgd，可以这么理解：米勒效应通过米勒电容从而产生米勒平台的。但是米勒效应引起的米勒平台宽度，和电容有没有一一对应的关系，它还和 Vds电压有关，一句话总结一下，米勒平台的宽度，不是由 Cgd米勒电容大小决定的，而是由 Vds 电压决定的。试想一下，如果在Vds=0V开通的话，是不是没有米勒平台了啊，但是米勒电容Cgd还是存在的啊所以，我们严格的说，米勒平台和Vds的电压更有相关性。
  • 问：这个震荡一直搞不清楚，不知道怎么产生，哪里的信号会震荡的？ 答：对于做 EMC 来说，不能让 MOS 管开通太快，如果你发现了震荡了，就需要减小给 Cgs充电电流。