什么是nmos
NMOS英文全稱為N-Metal-Oxide-Semiconductor。 意思為N型金屬-氧化物-半導(dǎo)體,而擁有這種結(jié)構(gòu)的晶體管我們稱之為NMOS晶體管。 MOS晶體管有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路,由NMOS組成的電路就是NMOS集成電路,由PMOS管組成的電路就是PMOS集成電路,由NMOS和PMOS兩種管子組成的互補(bǔ)MOS電路,即CMOS電路。
什么是pmos
PMOS是指n型襯底、p溝道,靠空穴的流動(dòng)運(yùn)送電流的MOS管。
P溝道MOS晶體管的空穴遷移率低,因而在MOS晶體管的幾何尺寸和工作電壓絕對(duì)值相等的情況下,PMOS晶體管的跨導(dǎo)小于N溝道MOS晶體管。此外,P溝道MOS晶體管閾值電壓的絕對(duì)值一般偏高,要求有較高的工作電壓。它的供電電源的電壓大小和極性,與雙極型晶體管——晶體管邏輯電路不兼容。PMOS因邏輯擺幅大,充電放電過(guò)程長(zhǎng),加之器件跨導(dǎo)小,所以工作速度更低,在NMOS電路(見(jiàn)N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體集成電路)出現(xiàn)之后,多數(shù)已為NMOS電路所取代。只是,因PMOS電路工藝簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,有些中規(guī)模和小規(guī)模數(shù)字控制電路仍采用PMOS電路技術(shù)。
nmos和pmos區(qū)別
在實(shí)際項(xiàng)目中,我們基本都用增強(qiáng)型mos管,分為N溝道和P溝道兩種。我們常用的是NMOS,因?yàn)槠鋵?dǎo)通電阻小,且容易制造。在MOS管原理圖上可以看到,漏極和源極之間有一個(gè)寄生二極管。這個(gè)叫體二極管,在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(如馬達(dá)),這個(gè)二極管很重要。順便說(shuō)一句,體二極管只在單個(gè)的MOS管中存在,在集成電路芯片內(nèi)部通常是沒(méi)有的。
1、導(dǎo)通特性
NMOS的特性,Vgs大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng)),只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。 PMOS的特性,Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通,適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是,雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng),但由于導(dǎo)通電阻大,價(jià)格貴,替換種類少等原因,在高端驅(qū)動(dòng)中,通常還是使用NMOS。
2.MOS開(kāi)關(guān)管損失
不管是NMOS還是PMOS,導(dǎo)通后都有導(dǎo)通電阻存在,這樣電流就會(huì)在這個(gè)電阻上消耗能量,這部分消耗的能量叫做導(dǎo)通損耗。選擇導(dǎo)通電阻小的MOS管會(huì)減小導(dǎo)通損耗?,F(xiàn)在的小功率MOS管導(dǎo)通電阻一般在幾十毫歐左右,幾毫歐的也有。 MOS在導(dǎo)通和截止的時(shí)候,一定不是在瞬間完成的。MOS兩端的電壓有一個(gè)下降的過(guò)程,流過(guò)的電流有一個(gè)上升的過(guò)程,在這段時(shí)間內(nèi),MOS管的損失是電壓和電流的乘積,叫做開(kāi)關(guān)損失。通常開(kāi)關(guān)損失比導(dǎo)通損失大得多,而且開(kāi)關(guān)頻率越高,損失也越大。 導(dǎo)通瞬間電壓和電流的乘積很大,造成的損失也就很大。縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間,可以減小每次導(dǎo)通時(shí)的損失;降低開(kāi)關(guān)頻率,可以減小單位時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)次數(shù)。這兩種辦法都可以減小開(kāi)關(guān)損失。
3.MOS管驅(qū)動(dòng)
跟雙極性晶體管相比,一般認(rèn)為使MOS管導(dǎo)通不需要電流,只要GS電壓高于一定的值,就可以了。這個(gè)很容易做到,但是,我們還需要速度。 在MOS管的結(jié)構(gòu)中可以看到,在GS,GD之間存在寄生電容,而MOS管的驅(qū)動(dòng),實(shí)際上就是對(duì)電容的充放電。對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流,因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路,所以瞬間電流會(huì)比較大。選擇/設(shè)計(jì)MOS管驅(qū)動(dòng)時(shí)第一要注意的是可提供瞬間短路電流的大小。
第二注意的是,普遍用于高端驅(qū)動(dòng)的NMOS,導(dǎo)通時(shí)需要是柵極電壓大于源極電壓。而高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同,所以這時(shí)柵極電壓要比VCC大4V或10V。如果在同一個(gè)系統(tǒng)里,要得到比VCC大的電壓,就要專門的升壓電路了。很多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器都集成了電荷泵,要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容,以得到足夠的短路電流去驅(qū)動(dòng)MOS管。
PMOS和NMOS導(dǎo)通條件
MOS與NMOS兩種增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)電路作了詳細(xì)的介紹, 并且還提到過(guò)一種廣為流傳的說(shuō)法:相對(duì)于NMOS管,PMOS管的溝道導(dǎo)通電阻更大、速度更慢、成本更高等,還是從頭講起吧!
如果讀者有一定的電子技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的話,對(duì)NMOS管開(kāi)關(guān)電路的使用場(chǎng)合肯定是如數(shù)家珍,幾乎所有的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)涠计蛴谑褂肗MOS管(而不是PMOS管),如正激、反激、推挽、半橋、全橋等拓?fù)?,NMOS管的應(yīng)用電路案例真心不要太多。
可以看看國(guó)際整流器MOS管的分類,如下圖所示:
除兩個(gè)圈所標(biāo)注的內(nèi)容是PMOS管外,其它都是NMOS管,并且NMOS管在電壓檔次上比PMOS管要細(xì)分得多,從側(cè)面可以說(shuō)明NMOS管的應(yīng)用場(chǎng)合比PMOS要大得多(因?yàn)閼?yīng)用多,所以需求多,繼而型號(hào)多),如果你粗略地統(tǒng)計(jì)一下PMOS與NMOS型號(hào)的數(shù)量,NMOS管絕對(duì)獨(dú)占鰲頭。
有人說(shuō):應(yīng)該是PMOS管在使用的時(shí)候控制電路太過(guò)復(fù)雜,與NMOS管的驅(qū)動(dòng)比較,PMOS還需要額外的三極管,成本太高。那繼續(xù)往下看,如果讀者對(duì)電子技術(shù)足夠感興趣且好奇心總是不一般的話,應(yīng)該對(duì)降壓型BUCK單片開(kāi)關(guān)電源電路有一定的了解,那自然會(huì)遇到類似下圖所示的電路:
這是最常用的BUCK拓?fù)浣祲盒酒牡湫蛻?yīng)用電路,但是有些降壓芯片應(yīng)用電路卻稍微有所不同,如下圖所示:
與LM2596S芯片相比多了一個(gè)BOOST(BST)引腳,一般在該引腳與SW之間串一個(gè)小電容,這是為什么呢?
有經(jīng)驗(yàn)的讀者可能會(huì)說(shuō):這種芯片是采用同步整流方案(關(guān)于同步整流可參考文章【開(kāi)關(guān)電源(1)之BUCK變換器】,簡(jiǎn)單的說(shuō),就是用MOS管來(lái)代替續(xù)流二極管,以達(dá)到降低損耗繼而提升轉(zhuǎn)換效率的目的),內(nèi)部是用兩個(gè)NMOS管配合工作的,需要一個(gè)自舉升壓電路,所以才需要外接一個(gè)電容。該芯片開(kāi)關(guān)管結(jié)構(gòu)如下圖所示:
然而同步整流方案與使用NMOS管作為開(kāi)關(guān)管之間沒(méi)有因果關(guān)系,換言之,就算是異步整流方案,芯片也會(huì)偏向于使用NMOS管,如下圖所示:
LM25011就是異步整流方案,該芯片的內(nèi)部開(kāi)關(guān)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示:
總之一句話:如果內(nèi)部開(kāi)關(guān)管使用場(chǎng)效應(yīng)管,那大多數(shù)是NMOS管,而PMOS管用著少。
在文章《開(kāi)關(guān)電源(1)之BUCK變換器》中詳細(xì)介紹了降壓型BUCK開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?,并且還用下圖做了一次仿真:
用PMOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)切換功能的電路是要多簡(jiǎn)潔就多簡(jiǎn)潔
同樣的現(xiàn)象也存在于BOOST變換器芯片中,BOOST單片升壓芯片典型應(yīng)用電路如下圖所示:
同樣,有些升壓芯片多了一個(gè)BOOST/BST引腳,如下圖所示:
這里要說(shuō)明一下:上圖中芯片外圍接有的PMOS管并不是必須的,因?yàn)锽OOST拓?fù)溆捎谄浔旧淼奶匦?,在芯片不工作時(shí)輸出是無(wú)法關(guān)閉的(輸出電壓略小于輸入電壓),這與BUCK拓?fù)洳煌?,如果需要完全關(guān)閉電壓輸出,必須額外添加一個(gè)PMOS管開(kāi)關(guān)電路,這就是我們?cè)谖恼麻_(kāi)關(guān)介紹的PMOS管電源開(kāi)關(guān)控制電路。
該芯片的內(nèi)部開(kāi)關(guān)管的結(jié)構(gòu)如下圖所示:
當(dāng)然,異步整流升壓芯片就沒(méi)必要再弄個(gè)BST引腳了,因?yàn)镹MOS管已經(jīng)是比較理想的架構(gòu)了,我們?cè)谖恼隆堕_(kāi)關(guān)電源(2)之BOOST變換器》中也是用NMOS管來(lái)仿真的,如下圖所示:
前面提到過(guò),PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS管的導(dǎo)通電阻要大,我們可以找外部參數(shù)盡量相同的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)對(duì)比一下,如下圖所示:
在相同的工藝、耐壓等條件下,NMOS導(dǎo)通電阻為0.036W(W就是歐姆的意思,形狀很像符號(hào)Ω),而PMOS導(dǎo)通電阻要大得多,其值為0.117Ω,當(dāng)然,這并不能作為PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS要大的直接證據(jù),然而事實(shí)上,在相同的工藝及尺寸面積條件下,PMOS管的導(dǎo)通電阻確實(shí)要比NMOS管要大,這樣PMOS開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗比NMOS要大。
將PMOS管應(yīng)用場(chǎng)合比較少的原因歸結(jié)于P溝道導(dǎo)通電阻更大似乎是個(gè)比較理想的答案,然而我們還是不禁要問(wèn)一下:為什么PMOS管的導(dǎo)通電阻比NMOS要大呢?這主要是源自于導(dǎo)通溝道在一個(gè)特性方面的差別:電子遷移率(Electron mobility)。
我們?cè)谖恼隆抖O管》里講解PN結(jié)的時(shí)候,已經(jīng)提到過(guò)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體的由來(lái),P型半導(dǎo)體就是在本征半導(dǎo)體中摻入3價(jià)的元素(如硼元素),其結(jié)構(gòu)如下圖的所示:
在合理的范圍內(nèi)摻入的雜質(zhì)越多,則多數(shù)載流子空穴就更多,P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也似乎將會(huì)變得更好。
相應(yīng)的,N型半導(dǎo)體就是在本征半導(dǎo)體(純凈無(wú)摻雜的)中摻入5價(jià)的元素(如磷元素),其結(jié)構(gòu)如下圖的所示:
同樣的,在合理范圍內(nèi)摻入的雜質(zhì)越多,則多數(shù)載流子電子就更多,N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也因此似乎將會(huì)變得更好,而PMOS管或NMOS管的導(dǎo)通溝道就是P型或N型,這看起來(lái)兩者沒(méi)有太大的區(qū)別,只要控制摻入雜質(zhì)的數(shù)量,就可以控制摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電性,但實(shí)際上并非這么回事!因?yàn)榘雽?dǎo)體的導(dǎo)電性不僅與載流子(電子或空穴)濃度有關(guān),還與載流子的遷移率(速度)有關(guān)。
我們從初中物理學(xué)就知道,導(dǎo)體之所以容易導(dǎo)電,是因?yàn)樽杂呻娮颖容^多,而絕緣體很難導(dǎo)電是因?yàn)樽杂呻娮颖容^少,半導(dǎo)體中的導(dǎo)電性也是類似的。
NMOS管是導(dǎo)電溝道是N型半導(dǎo)體,其多數(shù)載流子是電子,當(dāng)半導(dǎo)體外部施加電場(chǎng)時(shí),載流子電子將按下圖所示的遷移:
載流子電子在由A點(diǎn)到F點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,不斷地與晶格原子或雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞,因此運(yùn)動(dòng)軌跡不是直線的,只有一個(gè)平均的遷移方向(細(xì)節(jié)可自行參考相關(guān)文檔),但有一點(diǎn)需要注意的是:載流子電子在遷移過(guò)程中不會(huì)進(jìn)入共價(jià)鍵中,總是在圖所示的“空檔”移動(dòng),這些地方?jīng)]有共價(jià)鍵位置的束縛力,因此載流子電子的遷移率(速度)比較高。
在《半導(dǎo)體物理學(xué)》中,我們把自由電子存在的空間叫做導(dǎo)帶,而把共價(jià)鍵所在的空間叫做價(jià)帶,很明顯,價(jià)帶中有來(lái)自晶格原子(如硅、鍺)或雜質(zhì)離子(如硼、磷)的束縛力,因此價(jià)帶(共價(jià)鍵)中的電子要跑出來(lái)就必須具備一定的能量(如光或熱),而電子在導(dǎo)帶中則不需要。
PMOS管是導(dǎo)電溝道是P型半導(dǎo)體,其多數(shù)載流子是空穴,當(dāng)半導(dǎo)體外部施加電場(chǎng)時(shí),載流子空穴將按下圖所示的遷移:
空穴移動(dòng)可以看作是電子的反向移動(dòng),每一次空穴移動(dòng)時(shí),都可以看成是電子從導(dǎo)帶中跳入到價(jià)帶中(填充某個(gè)空穴),再?gòu)膬r(jià)帶中跳出來(lái)往相鄰的價(jià)帶中移動(dòng),很明顯,空穴遷移的速度是不如電子遷移速度的,因?yàn)殡娮右坏┨M(jìn)價(jià)帶(共價(jià)鍵)中,就會(huì)受到共價(jià)鍵的束縛力,需要更多的能量激發(fā)才能跳出來(lái)。
你可以將這種遷移方式比作游泳,NMOS管相當(dāng)于在水里游泳,而PMOS管相當(dāng)于在油水相間的泳道中游泳,很明顯,在相同的條件下,在水里游泳的速度會(huì)更快一些,如下圖所示:
電子與空穴遷移率的差別表現(xiàn)之一在場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)速度上,我們?cè)谖恼隆哆壿嬮T》中已經(jīng)介紹過(guò),CMOS反相器是由一個(gè)PMOS管與NMOS管來(lái)完成的,如下圖所示:
當(dāng)輸入A=0時(shí),輸出Y=1,當(dāng)輸入A=1時(shí),輸出Y=0,由于PMOS管(上側(cè)帶圈圈的)的空穴遷移率比NMOS管的電子遷移率要小,因此,在相同的尺寸條件下,輸出Y的上升速率比下降速率要慢,這樣帶來(lái)的結(jié)果是:開(kāi)關(guān)損耗相應(yīng)會(huì)比NMOS管大一些(關(guān)于“開(kāi)關(guān)損耗”可參考文章【開(kāi)關(guān)電源(1)之BUCK變換器】)。
當(dāng)然,你可以做一個(gè)與NMOS管驅(qū)動(dòng)能力相同的PMOS管,但需要的器件面積可能是NMOS管的2~3倍,這就是錢吶,而且器件面積會(huì)影響導(dǎo)通電阻、輸入輸出電容,而這些參數(shù)會(huì)影響電路的延遲。
同樣,在相同的尺寸條件下,PMOS管溝道導(dǎo)通電阻比NMOS要大一些,這樣開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗相應(yīng)也會(huì)比NMOS管要大一些
正是因?yàn)檫w移率的差別才有速度與溝道導(dǎo)通電阻的差別,才導(dǎo)致PMOS管的應(yīng)用范圍受到限制,這樣PMOS的市場(chǎng)用量必然不如NMOS管,從工藝上來(lái)講,PMOS管與NMOS管的制造并無(wú)多大不同,但市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的杠桿總是無(wú)處不在的,所以PMOS管比NMOS管貴很大一部分也是由市場(chǎng)決定的(材料成本低并不總意味著價(jià)格低),而不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為:因?yàn)镻MOS管與NMOS管貴,所以應(yīng)用場(chǎng)合少。
烜芯微專業(yè)制造二三極管,MOS管,20年,工廠直銷省20%,1500家電路電器生產(chǎn)企業(yè)選用,專業(yè)的工程師幫您穩(wěn)定好每一批產(chǎn)品,如果您有遇到什么需要幫助解決的,可以點(diǎn)擊右邊的工程師,或者點(diǎn)擊銷售經(jīng)理給您精準(zhǔn)的報(bào)價(jià)以及產(chǎn)品介紹
烜芯微專業(yè)制造二三極管,MOS管,20年,工廠直銷省20%,1500家電路電器生產(chǎn)企業(yè)選用,專業(yè)的工程師幫您穩(wěn)定好每一批產(chǎn)品,如果您有遇到什么需要幫助解決的,可以點(diǎn)擊右邊的工程師,或者點(diǎn)擊銷售經(jīng)理給您精準(zhǔn)的報(bào)價(jià)以及產(chǎn)品介紹