NMOS和PMOS详解

NMOS和PMOS详解

来源 http://www.allchiphome.com/chips/analog/nmos_pmos

 

一、简介

MOS管，是MOSFET的缩写。MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。

其中，G是栅极，S是源极，D是漏极。

二、常见的nmos和pmos的原理与区别

• NMOS

NMOS英文全称为N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思为N型金属-氧化物-半导体，而拥有这种结构的晶体管我们称之为NMOS晶体管。 MOS晶体管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，由NMOS组成的电路就是NMOS集成电路，由PMOS管组成的电路就是PMOS集成电路，由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路，即CMOS电路。

• PMOS

PMOS是指n型衬底、p沟道，靠空穴的流动运送电流的MOS管。

• NMOS和PMOS工作原理

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。

三、MOS管应用分析

1. 导通特性

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。
PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

2. MOS开关管损失

不管是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右，几毫欧的也有。
MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损失。通常开关损失比导通损失大得多，而且开关频率越高，损失也越大。
导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损失也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损失；降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损失。

3.MOS管驱动

跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是，我们还需要速度。
在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。
第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合适的外接电容，以得到足够的短路电流去驱动MOS管。

四、MOS应用电路设计

在实际项目中，我们基本都用增强型，分为N沟道和P沟道两种。

我们常用的是NMOS，因为其导通电阻小，且容易制造。在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的，需要具体看数据手册。
了解MOS管的开通/关断原理你就会发现，使用PMOS做上管、NMOS做下管比较方便。使用PMOS做下管、NMOS做上管的电路设计复杂，一般情况下意义不大，所以很少采用。
下面先了解MOS管的开通/关断原理，请看下图：

NMOS管的主回路电流方向为D→S，导通条件为VGS有一定的压差，一般为5~10V（G电位比S电位高）；而PMOS管的主回路电流方向为S→D，导通条件为VGS有一定的压差，一般为-5~-10V（S电位比G电位高），下面以导通压差6V为例。

• NMOS管

使用NMOS当下管，S极直接接地（为固定值），只需将G极电压固定值6V即可导通；若使用NMOS当上管，D极接正电源，而S极的电压不固定，无法确定控制NMOS导通的G极电压，因为S极对地的电压有两种状态，MOS管截止时为低电*，导通时接*高电*VCC。当然NMOS也是可以当上管的，只是控制电路复杂，这种情况必须使用隔离电源控制，使用一个PMOS管就能解决的事情一般不会这么干，明显增加电路难度。

• PMOS管

使用PMOS当上管，S极直接接电源VCC，S极电压固定，只需G极电压比S极低6V即可导通，使用方便；同理若使用PMOS当下管，D极接地，S极的电压不固定（0V或VCC），无法确定控制极G极的电压，使用较麻烦，需采用隔离电压设计。

 

 

五、常见的MOS管型号

A2700 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：9A
导通电阻：7.3mΩ
SI4336 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：22A
导通电阻：4.2mΩ
SI4404 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：17A
导通电阻：8mΩ
SI4410 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：10A
导通电阻：14mΩ
SI4420 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：10A
导通电阻：10mΩ
SI4812 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：7.3A
导通电阻：28mΩ
SI9410 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：6.9A
导通电阻：50mΩ
IRF7313 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：6A
导通电阻：29mΩ
IRF7413 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：12A
导通电阻：18mΩ
IRF7477 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：11A
导通电阻：20mΩ
IRF7805Z N型管(贴片)
耐压：30V
电流：16A
导通电阻：6.8mΩ
IRF7811 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：11A
导通电阻：12mΩ
IRF7831 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：16A
导通电阻：0.004Ω
IRF7832 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：20A
导通电阻：4mΩ
IRF8113 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：17A
导通电阻：5.6mΩ
TPC8003 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：12A
导通电阻：6mΩ
FDS6688 N型管(贴片)
耐压：30V
电流：16A
导通电阻：0.006Ω
FDD6688 TO-252贴片
耐压：30V
电流：84A
导通电阻：5mΩ
A2716 P型管(贴片)
耐压：30V
电流：7A
导通电阻：11.3mΩ
SI4405 P型管(贴片)
耐压：30V
电流：17A
导通电阻：7.5mΩ
SI4425 P型管(贴片)
耐压：30V
电流：9A
导通电阻：19mΩ
SI4435 P型管(贴片)
耐压：30V
电流：8A
导通电阻：20mΩ
SI4463 P型管(贴片)
耐压：20V
电流：12.3A
导通电阻：16mΩ
SI9435 P型管(贴片)
耐压：30V
电流：5.3A
导通电阻：50mΩ
IRF7424 P型管(贴片)
耐压：30V
电流：8.8A
导通电阻：22mΩ
STM4439A P型管(贴片)
耐压：30V
电流：14A
导通电阻：18mΩ
FDS6679 P型管(贴片)
耐压：30V
电流：13A
导通电阻：9mΩ
BUZ111S N型管(直插)
耐压：55V
电流：80A
导通电阻：8mΩ
5N05 N型管(直插)
耐压：50V
电流：75A
导通电阻：0.0095Ω
6N60 N型管(直插)
耐压：600V
电流：5.5A
导通电阻：0.75Ω
50N03L N型管(直插)
耐压：25V
电流：28A
导通电阻：21mΩ
60N06 N型管(直插)
耐压：60V
电流：60A
导通电阻：14mΩ
BTS110 N型管(直插)
耐压：100V
电流：10A
导通电阻：200mΩ
BTS120 N型管(直插)
耐压：100V
电流：19A
导通电阻：100mΩ
IRF15 0 N型管(铁壳非直插)
耐压：100V
电流：40A
导通电阻：55mΩ
IRF1405 N型管(直插)
耐压：55V
电流：131A
导通电阻：5.3mΩ
IRF2804 N型管(直插)
耐压：40V
电流：75A
导通电阻：2mΩ
IRF3205 N型管(直插)
耐压：55V
电流：110A
导通电阻：8mΩ
IRF3703 N型管(直插)
耐压：30V
电流：210A
导通电阻：2.3mΩ
IRL3803 N型管(直插)
耐压：30V
电流：140A
导通电阻：6mΩ

 

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NMOS PMOS CMOS

来源  https://zhuanlan.zhihu.com/p/111508084

 

CMOS门电路由PMOS场效应管和NMOS场效应管以对称互补的形式组成，本文先介绍MOS管，然后再介绍由CMOS组成的门电路。

MOS英文全称Metal Oxide Semiconductor，中文全称是金属-氧化物-半导体场效应晶体管，属于一种电压控制型器件，正如其名，由金属(M)，氧化物(O)和半导体(S)构成，和三极管一样，既可以用来放大电路，也可以当作开关使用，MOS管基本原理和制造流程，这里不再详细介绍，有兴趣可以看看以前的文章。

MOS管可分为耗尽型和增强型，每种类型又分为P沟道和N沟道。

增强型MOS管，栅极与衬底之间不加电压时，栅极下面没有沟道存在，耗尽型，栅极与衬底之间不加电压时，栅极下面已有沟道存在。

MOS管的图形符号如下，一般用增强型MOS管用于门电路分析。

MOS管图形符号

增强型MOS管有P沟道和N沟道两种，其结构原理基本类似，主要区别在于沉底和载流子不同，下面以N沟道增强型MOS管为例简单介绍下，其结构如下所示:

增强型NMOS管的结构

增强型NMOS管是以P型掺杂硅片为衬底，然后制作两个N型掺杂的区域，再制作一层电介质绝缘层，在两个N型掺杂的区域用金属导线连出，分别称为源极(source)和漏极(drain)，在两极中间的绝缘层上制作金属导电层，然后用导向连出称为栅极(gate)，衬底一般也用导线连出和源极连接在一起。

增强型MOS管需要在栅极加合适的电压才能工作，下面说明其工作原理：

增强型NMOS管工作原理

电源E1通过R1加到场效应管D, S极，电源E2通过开关S加到G, S极。

当开关S断开时，栅极无电压，由于衬底是P型，多数载流子是空穴；源，漏极是N型掺杂，多数载流子是电子，熟悉PN节的读者可以很快看出来，源极和漏极之间有两个背靠背的PN节，即使源，漏极加上电压，总有一个PN节处于反偏状态，源漏极之间没有导电沟道，所以电流为0；

当开关S闭合，场效应管栅极获得正电压，上面会带有正电荷，它产生的电场穿过电介质，将P衬底中的电子吸引过来并聚集，从而在两个都是N型掺杂的源漏极之间出现导电沟道，由于此时漏源之间加上的是正向电压，于是就会有电流从漏极流入，再经过导电沟道从S极流出，一般把形成沟道时的栅源极电压称为开启电压，用Vt表示，也即是图中E2电压。

如果改变E2电压大小，栅极下面的电场大小随之变化，吸引过来的电子数量也会发生变化，两个N区之间沟道宽度就会随之变化，通过的漏源极的电流大小就会发生变化。E2电压越高，沟道就会越宽，电流就会越大。

增强型MOS管的特点如下：

1. G, S极之间未加电压时，D, S极之间没有沟道，电流为0；
2. G, S极之间加上开启电压后，D, S极之间有沟道形成，D, S极之间有电流

为分析方便，可以认为当NMOS管，G极为高电*时导通，为低电*时截止；对于PMOS则相反，G极为低电*时导通，高电*时截止。

上面介绍了PMOS和NMOS基本概念，接下来介绍CMOS构成的逻辑门电路。

首先是CMOS非门电路，也叫反相器，结构图如下：

CMOS非门电路

VT1是PMOS管，VT2是NMOS管，电源输入端A分别与MOS管的G极连接，电路的输出端分别与MOS管的D极相连，PMOS的S极接电源VDD，NMOS管的S极接地。

CMOS反相器的工作原理如下：

• 当A端为高电*时，VT1 PMOS管截止，VT2 NMOS管导通，Y端输出为低电*，也即A=1，Y=0；
• 当A端为低电*时，VT2 NMOS管截止，VT1 PMOS管导通，Y端输出为高电*，也即A=0，Y=1。

综上所述，CMOS非门的输出端与输出端之间电*总是相反，实际上，不管输入端为高电*还是低电*，VT1和VT2始终有一个处于截止状态，电源与地之间基本无电流通过，因此CMOS非门电路的功耗很低。

非门真值表

然后介绍与非门，其电路结构图如下：VT1，VT2为PMOS管，VT3，VT4为NMOS管。

 

CMOS与非门

CMOS与非门工作原理如下：

• 当A，B端均为高电*时，VT1 PMOS，VT2 PMOS截止，VT3 NMOS，VT4 NMOS导通，Y端为低电*，即A=1，B=1时，Y=0；
• 当A，B端均为低电*时，VT1 PMOS，VT2 PMOS导通，VT3 NMOS，VT4 NMOS截止，Y端为高电*，即A=0，B=0时，Y=1;
• 当A端为低电*，B端为高电*时，A端低电*使VT2 PMOS导通，VT3 NMOS截止，B端高电*使VT1 PMOS截止，VT4 NMOS导通，所以Y端输出高电*，即A=0，B=1时，Y=1;
• 同理，当A端为高电*，B端为低电*时，输出端Y=1。

从上面分析可知，当输入端均为高电*时，输出端为0，只要有一个输入端为低电*，输出端就为1，满足或非的逻辑。

与非门真值表

最后是CMOS或非门，其电路结构图如下：其中VT1，VT2为PMOS，VT3，VT4是NMOS。

CMOS或非门

CMOS或非门电路工作原理如下：

• 当A，B端均为高电*时，VT1 PMOS，VT2 PMOS截止，VT3 NMOS，VT4 NMOS导通，Y端为低电*，也即A=1，B=1时，Y=0；
• 当A，B端均为低电*时，VT1 PMOS，VT2 PMOS导通，VT3 NMOS，VT4 NMOS截止，Y端为高电*，也即A=0，B=0时，Y=1；
• 当A端为低电*，B端为高电*时，A端低电*使VT1导通，VT3截止，B端高电*使VT2截止，VT4导通，由于VT2截止，VT4导通，Y端输出低电*，也即A=0，B=1时，Y=0；
• 同理：A端为高电*，B端为低电*时，输出端Y为0。

综上所述，当A，B均为低电*时，输出端才是1，满足与非门逻辑。

或非门真值表

CMOS门电路静态功耗低，抗干扰能力强，开关速度高，工作稳定可靠，适用于逻辑电路设计，应用非常广泛。

 

============ End