1.认识N沟道MOS管的结构参考b站up主“奇妙模数电”作者讲解的MOS管。左下角是一个P型MOS管的结构。它可看作是衬底两块半导体绝缘材料SiO2结构两块半导体嵌在上面通过一片金属片引出两个引脚S源极和D漏极。P型衬底也引出金属引脚B我们根据MOS管的符号可以看出D和S是可以直接相接的而G与他们中间隔开了一个通道。因此对应到硬件结构上图中红色部分是嵌在上顶部的SiO2绝缘层中间又通过金属片引出G栅极引脚。栅极几乎无电流只能施加电压因为它下面有一层厚实的SiO2绝缘层电流无法通过。所以栅极等效电阻可视作无穷大。工作原理我们先拿增强型MOS管举例子我们把G和S之间接一块电池再将S和衬底B相接UgsUgb因为S与B相连等电势所以在施加的Ugs电压就是Ugb那么在MOS管内部会有一个从上到下的电场这会使得P型衬底多子为空穴里的空穴向下移动在上方又会形成一个“耗尽层”因为空穴都被Ugb电压吸引到下面了。我们可以看中图紫色部分就是所有的耗尽层。中间是由于外加电场形成的耗尽层两边的则是N型半导体和P型半导体相接处形成的耗尽层。另外这个电场还会使得P型半导体里的少量电子向上运动形成“反型层”可参考图中紫色耗尽层与红色SiO2绝缘层之间的黑色电子聚集的通道所有的电子都聚集在这个通道里由于左右两边都是N型导体这个通道就叫做N沟道。而想让N沟道里的电子移动起来形成电流就需要施加Uds电压。由这个工作原理可得出Ugs一定要大于等于某个电压值才会形成N沟道源极漏极才会形成电流也就是开启电压Ugsth。Ugs越大这个从上至下的电场就越大形成的N沟道反型层就越宽导电能力也更强。所以N沟道MOS管也叫电压控制电流的压控电流源。在这个基础上我们引出耗尽型N沟道MOS管。对于耗尽型N沟道MOS管沟道天然存在由于硬件结构制作的时候在绝缘板加入了杂质或者直接在漏源极之间做了一条沟道。哪怕没有Ugs源极漏极里已经导通有电流了如果你不想要沟道电流此时有一个临界夹断电压ugsoffugsoff是一个负电压负电压排斥沟道里的电子可以把电子赶走。施加小于ugsoff的电压就可以夹断这条沟道电流。理解Ugsoff和Ugsth有了上面的基础我们能知道这两个临界电压的使用场景。Ugsoff是一个负电压为了排斥沟道里的电子而生的而Ugsth是正电压为了吸引电子进入沟道而生。对于这两个临界值要知道这些2.Uds电压对沟道的影响我们现在在D漏极与S源极之间施加电压那么UdsUdb同理是因为衬底引脚b和源极引脚s相连等电势。由于N导体和P导体之间会形成耗尽层当Uds增大相当于在耗尽层两端施加反偏电压PN结也就是耗尽层空间电场区也会变宽。那么漏极这一端的沟道会被耗尽层压榨在图中表示为一个梯形的沟道区。而对于沟道夹断临界条件为什么是UgdUgsoff呢这里我用硬件解释不清就想到了一个方法把MOS管看做水龙头。1.认识这个水龙头· 水管源极S和漏极D 水从一头进另一头出。· 把手栅极G 你用手去拧这个把手控制水流。· 把手拧的力度Ugs 这个力度就是加在栅极上的电压。· 水流大小Ids 最终流出来的水就是电流。现在市面上有两种出厂就不同的水龙头增强型和耗尽型。①. 增强型水龙头出厂就是【干】的· 出厂状态 水管里面塞了一块海绵一滴水都没有。· 怎么出水 你必须用力顺时针拧把手加正电压。拧到某个临界点开启电压 Ugs(th)海绵被挤压水路通了开始出水。· 怎么关水 只要把手松回去电压小于开启电压水就停了。· 关键参数 开启电压 Ugs(th)。它只关心“拧多大劲才开始出水”。②. 耗尽型水龙头出厂就是【湿】的· 出厂状态 水管里面天生就有一条缝水一直在流。哪怕你手不碰把手电压为 0它也在流水。· 怎么关水 你必须用力逆时针拧把手加负电压。一直拧到某个负角度夹断电压 Ugs(off)那条缝被彻底堵死水才停下。· 怎么出更多水 你顺着拧加正电压水流会更大。· 关键参数 夹断电压 Ugs(off)。它只关心“逆时针拧多大劲才能把水堵死”。3.可变电阻区先稍微开一点水管(Ugs很小且固定)此时水压大点(Uds)水流就大一点。水压小点水流就小一点。此时就相当于一个可调电阻。恒流区现在把水管拧到大的不能再大Ugs固定且很大然后拼命加大水压Uds很大但是水流太急了水压再大出来的水也是那么多形成一种“夹断”现象就是水管末端被夹断水流被限制到一个固定值此时就是一个恒流源。4.理解Ugsoff和Ugsth对于增强型的MOS管来说第一阶段判断管子能不能导通水龙头能不能出水此时水还没流起来漏极出水口还没有水压Uds0。所以Ugd Ugs。这时候出水口的控制力就等于你手拧开关的力。所以课本说当 U_{GS} U_{GS(th)} 时管子导通。或者耗尽型当 U_{GS} U_{GS(off)} 时有电流。第二阶段管子已经导通了水开始流了现在加大水压U_{DS} 变大你为了让它导通已经固定了手拧的力比如 U_{GS} 0V。现在你开始增加出水口的水压U_{DS}。水压变大相当于一个“千斤顶”在出水口那边反向顶你的控制力。这时候出水口那边的实际控制力变成了U_{GD} U_{GS} - U_{DS}。你看随着 U_{DS} 增加U_{GD} 会变得越来越小越来越负。最终当 U_{GD} 碰上 U_{GS(off)} 这条红线时出水口这边的沟道被彻底顶没了水断了。5.为什么Ugd来判断作为沟道夹断临界条件我们参考一下生活中的情景当你拧开水管想用水的时候你最开始拧的时候你会感觉到明显的不顺畅因为这个时候你要先对抗掉水管里面出水口的水压然后你才能把开关拧过去那这个例子就很生动形象。要先有这样一个概念水管入水口S相当于0电势作为一个基准电压处。出水口(D)水流湍急水压并不是0而且有一定大小的。因此栅极G开关施加的力还要先抵消出水口本身的水压才是开关对出水口的控制力度。因此Ugd就是开关对于出水口的控制力度你要想出水Ugd不能太小吧然后我们一个Ugs(off)临界的出水电压你要让Ugd这个力度不小于Ugsoff吧才能让水流道通。3.理解推挽输出模式有了对N沟道 MOS管结构和过程的理解我们可以来看stm32中的推挽输出模式了。推挽输出结构又0/1寄存器和输出控制电路PMOS管NMOS管构成。PMOS和NMOS交替导通如果同时导通就是短路器件会被烧坏。在寄存器里写1可以同时给PMOS管和NMOS管但是PMOS管上端有一个反向器因此PMOS实际接收到的值是0。如果是0代表PMOS管栅极为低电压源极接高电压Ugs0,而对于增强型PMOS管导通条件为UgsUgs(th),且这里的Ugsth为负数因为P型半导体中多子是空穴带正电所以Ugs应该0,这样可以吸引空穴形成一条导电沟道也就是能导通。所以PMOS的管栅极给0的时候Ugs0,PMOS管就导通了。而反观NMOS管栅极写入了1NMOS管的导通条件是UgsUgs(th),且Ugsth为正数。此时Ugs0NMOS管并不导通。因此写1时候PMOS导通上管导通电流从源极VDD直接通过中间的引脚流出去此为“推”模式也就是直接把电流推出去。写0的时候NMOS导通电流从外部引脚进入流经源极VSS到地面此为“挽”模式也就是把电流挽回来。经过上面这么多的讨论我们直接记住结论在推挽输出模式中内部写1时候上管PMOS导通下管NMOS关断。内部写0时PMOS上管关断下管NMOS导通。4.开漏输出模式开漏输出里的开漏是指对于下方NMOS管来说它的漏极开路了。也就是说上方的PMOS与NMOS断开连接接了。只有下方的NMOS管工作。此时写0NMOS管就直接导通就相当于推挽模式里的“挽”。写1NMOS管不会导通就呈现出高阻态。在使用中知道开漏模式下NMOS管它不会工作就可以了。