一文详解MOSFET

导语

晶体管是电子学和逻辑电路中的基本构件，用于开关和放大。MOSFET是场效应晶体管(FET)的一种，其栅极通过使用绝缘层进行电隔离。因此，它也被称为IGFET(绝缘栅场效应晶体管)。

#1什么是MOSFET?

What is a MOSFET?

MOSFET或金属氧化物半导体场效应晶体管是一种具有四个终端的场效应晶体管，即漏极、栅极、源极和体/衬底。本体端子与源端子短路，总共留下三个工作端子，就像任何其他晶体管一样。

MOSFET在其源极和漏极之间通过通道传导电流。该通道的宽度由栅极端子处的电压控制。

MOSFET是一种电压控制器件，其输出取决于栅极电压。使用一层薄薄的二氧化硅将金属氧化物栅与通道电隔离。它在兆欧范围内显著增加了输入阻抗“106 = MΩ”。因此，MOSFET没有任何输入电流。

#2主要类型

Symbol

MOSFET主要有两种类型：

● 损耗型MOSFET或d型MOSFET

●增强MOSFET或E-MOSFET

这两种类型都可以根据n通道和p通道进行划分

D-MOSFET也被称为“normally ON”MOSFET，因为它们在制造过程中具有内置通道。施加栅极电压减小通道宽度，使MOSFET关闭。而E-MOSFET也被称为“正常关闭”MOSFET，因为在制造过程中没有通道，但它是由施加电压诱导的。

因此，D-MOSFET符号有一条连续的线来表示漏极和源极之间的通道，该通道允许电流在零栅源电压下流动。而E-MOSFET中的折线则表示栅极源电压为零时电流流动的断路或通道缺失。向内的箭头表示N沟道，向外的箭头表示P沟道。

#3MOSFET的操作区域

MOSFET Regions of Operation

晶体管的作用就像绝缘体或导体，基于一个非常小的信号。MOSFET就像任何其他晶体管一样也在三个区域工作。

截止区:在这个区域，MOSFET保持关断，没有漏极电流ID。当MOSFET用作开关时，它利用该区域作为开关的off状态或打开状态。

饱和区:在饱和区，MOSFET允许源极和漏极之间的恒定电流。它充当开关的开状态或闭合状态。MOSFET完全开启，允许最大漏极电流I-D通过它。

线性或欧姆区:在这个区域，MOSFET提供恒定的电阻，由电压电平V-GS控制。漏极电流随电压-V - GS的升高而增大。因此，该区域用于扩增。

#4MOSFET的类型

Types of MOSFETs

MOSFET主要分为两种类型:

● 耗尽型MOSFET或D-MOSFET-(D & N沟道)

● 增强型MOSFET或E-MOSFET-(D & N通道)

#5MOSFET的损耗

Depletion MOSFET

耗尽型MOSFET或D-MOSFET是一种在制造过程中构建沟道的MOSFET。换句话说，即使没有施加电压，它也有通道。因此，当栅源电压V—GS = 0伏时，它可以在源极与漏极之间导流。由于这个原因，它也被称为“Normally ON”MOSFET。

以反向偏置连接栅极-源端将耗尽电荷载流子的通道，因此称为耗尽型MOSFET。它减小了通道的宽度，直到通道完全消失。此时，D-MOSFET停止传导，这个V-GS电压被称为VTH阈值电压。

如果栅极和源极以正偏置方式连接，增大VGS，则通道中会诱导出更多的多数载流子，通道宽度也会增大。这将导致漏极和源极之间的电流增加。这就是为什么D-MOSFET可以在耗尽和增强模式下工作。

D-MOSFET可以是“N沟道D-MOSFET”或“P沟道D-MOSFET”，具体取决于所使用的沟道。通道的类型也影响它的偏置以及它的速度和电流容量。

#6N沟道D-MOSFET

N-Channel D-MOSFET

在N沟道D-MOSFET中，源极和漏极被放置在小的N型层上。而栅极电极被放置在绝缘金属氧化物层的顶部，该金属氧化物层将其与下面的通道电隔离。为N型材料制造的通道在P型衬底上制造。

该通道由N型材料制成，由电子作为载流子组成，栅极处的电压产生电场，影响这些载流子的流动。

当栅极以反向偏置连接时，即施加负电压VGS < 0伏，P衬底上的空穴将吸引栅极，耗尽其电子并减小通道尺寸。在某些负VGS下，MOSFET将停止传导，因为没有通道。这个V-GS是阈值电压Vth，N沟道MOSFET具有-Vth。

而增加VGS -将增强(增加)其电导率，即漏极电流ID将随着漏极-源极电压VDS而增加。然而，这在欧姆区域有效。当VDS达到截断电压VP时，IDS变为饱和IDSS，电流停止增加。该模式用于应用切换。

#7N沟道D型MOSFET的操作区域

Operating Regions of N-Channel D-MOSFET

截止区域:在该区域，栅源电压V-GS≤-Vth。无论VDS的值如何，都不存在漏极电流ID = 0的情况。MOSFET关闭。

饱和区:该区域VGS > -Vth, VDS > V-P。MOSFET允许最大漏极电流IDSS，这取决于VGS。

线性或欧姆区域:在该区域，VGS > -Vth, VDS < V-P。MOSFET充当放大器。在该区域，电流ID随VDS的增大而增大，其放大取决于VGS，如VI特性所示。

#8P沟道D-MOSFET

P-Channel D-MOSFET

P沟道D-MOSFET具有与N沟道相同的结构，除了漏极，源极位于P型层上。所述通道由在N型衬底上的P层构成。所使用的电荷载体是空穴。与电子相比，空穴有一个缺点。它们比电子重得多，因此会导致它在运行中失去一些速度。

在正常情况下，只要源极和漏极之间有电压，它就能传导电流。栅极电压可以影响通道宽度，使其增大或减小。

当在栅极处施加一个正的VGS时，电场将导致吸引来自与空穴结合的N型衬底的电子，从而耗尽通道中的载流子。它减少了通道的宽度和电流的量。在某一点上，VGS完全消除通道并停止电流的流动。

因此，P沟道D-MOSFET具有正阈值电压，即当施加正VGS时它关闭，当没有VGS时它打开。施加负电压将诱导更多的孔洞进入通道，从而增加或增强其电流传导。

#9P沟道D型

MOSFET的操作区域

Operating Regions of P-Channel D-MOSFET

截止区:在此区域，栅源电压V-GS = +Vth。无论VDS的值如何，都不存在漏极电流ID = 0的情况。MOSFET关闭。

饱和区:该区域VGS < +Vth, VDS > V-P。MOSFET允许最大漏极电流IDSS，这取决于VGS的水平。

线性或欧姆区域:在该区域，VGS < +Vth, VDS < V-P。MOSFET充当放大器。在该区域，电流ID随VDS的增大而增大，其放大取决于VGS，如VI特性所示。

#10MOSFET的增强

Enhancement MOSFET

增强型MOSFET或E-MOSFET是一种在制造过程中没有沟道的MOSFET。相反，通道是通过施加电压通过其栅极在衬底感应。电压增强了它的传导能力，因此得名。

当栅极没有电压时，E-MOSFET不导通并保持关断。这就是为什么它也被称为“正常关闭”MOSFET。通过在栅极和源极之间施加正向电压，在基片中产生电荷载流子，从而在源极和漏极之间产生传导电流的通道。

施加高于阈值电压的电压增强了通道宽度并增加了电流，因此称为增强型MOSFET。

E-MOSFET也分为N沟道和P沟道E-MOSFET。

#11N沟道E-MOSFET

N-Channel E-MOSFET

N沟道E-MOSFET与D-MOSFET具有相同的结构，只是在制造过程中没有沟道。该通道是通过在其栅极上施加电压而产生的。

当VGS = 0伏时，N沟道E-MOSFET的源极和漏极之间不导电。因为没有通道让电流流过。在栅极上施加正电压+VGS会在栅极层下产生电场。它的结果是吸引P基板上的电子，并将空穴推离绝缘层。一种允许电流在源极和漏极之间的感应通道。

通道产生的VGS称为Vth阈值电压，当电压高于Vth时，通道宽度会增大。

#12N沟道E-MOSFET

的操作区域

Operating Regions of N-Channel E-MOSFET

截止区域:在该区域，栅源电压V-GS≤0v。无论VDS的值如何，都不存在漏极电流ID = 0的情况。它像开关一样工作。

饱和区:该区域VGS > 0v, VDS > V-GS。MOSFET允许最大漏极电流IDSS，这取决于VGS的水平。

线性或欧姆区域:在该区域，VGS > 0且VDS < V-GS。MOSFET充当放大器。在该区域，电流ID随VDS的增大而增大，其放大取决于VGS，如VI特性所示。

#13P沟道E-MOSFET

P-Channel E-MOSFET

P沟道E-MOSFET的结构与P沟道D-MOSFET相同，只是没有沟道。在施工过程中没有通道。它是用VGS -诱导的。

当-VGS作用于栅极时，正电荷(空穴)聚集在绝缘层下面，电子被推回。这些孔洞聚集在一起形成源和漏之间的通道。现在，如果在源极和漏极之间施加电压，它将开始传导电流。

与N通道相同，当VGS = 0 v时，它不导通，当电压低于V-th时，通道宽度增加，允许更多的电流通过。

#14N沟道E-MOSFET

的操作区域

Operating Regions of N-Channel E-MOSFET

截止区域:在该区域，栅源电压V-GS≥0v。无论VDS的值如何，都不存在漏极电流ID = 0的情况。它像开关一样工作。

饱和区:该区域VGS < 0v, VDS > V-GS。MOSFET允许最大漏极电流IDSS，这取决于VGS的水平。

线性或欧姆区域:在该区域，VGS < 0且VDS < V-GS。MOSFET充当放大器。在该区域，电流ID随VDS的增大而增大，其放大取决于VGS，如VI特性所示。

#15MOSFET的工作

Working of MOSFET

MOSFET可以像开关或放大器一样工作。MOSFET的工作取决于它的类型和偏置。它们可以在耗尽模式或增强模式下运行。

MOSFET在沟道和栅极电极之间有一绝缘层。这个绝缘层增加了它的输入阻抗。因此，它不允许任何门电流。相反，它对施加到其栅极端的电压起作用。

绝缘层形成扁平电容器，有优点也有缺点。它产生一个非常高的输入阻抗，因此，具有非常低的功耗。但是静电电荷会永久地破坏这层薄薄的绝缘层。

在耗尽模式下，MOSFET在源极和漏极之间有一个内置通道。在源极和漏极之间施加电压VDS使漏极电流ID流动。为了减少或阻止电流ID的传导，在栅极上施加反向偏置电压VGS。它耗尽了载流子的通道，减小了通道的宽度。

在增强模式下，在栅极上施加正向偏置电压VGS，吸引衬底上的少数载流子。它们积聚在栅电极下面，以增加或增强沟道的宽度。这个宽度取决于栅极电压的大小。电压越高，积累的电荷量越大，通道越宽。因此，漏极电流ID也增加。

下表显示了所有四种类型的MOSFET在不同栅源电压VGS水平下的状态

下表显示了所有四个MOSFET的工作区域

栅极到源电压

Vth Threshold Voltage

VDS漏极到源电压

VP掐断电压

损耗MOSFET可以在耗尽模式和增强模式下工作，而增强MOSFET只能在增强模式下工作。

在场效应管中，由于漏极和源极由相同的材料制成，它们是可互换的。漏极是电压比源极高的端。

#16MOSFET的特性

或V-I曲线

Characteristics or V-I Curve of MOSFETs

转移特性:转移特性曲线表示输入栅极电压VGS与输出漏极电流ID之间的关系。

漏极特性:漏极特性曲线显示漏极源极电压VDS与漏极电流ID之间的关系。

#17N沟道D-MOSFET

N-Channel D-MOSFET

N沟道D-MOSFET转移曲线显示，当VGS超过VTh阈值电压时，MOSFET导漏电流ID -。阈值电压低于0v，可以在0v-gs下导电。

漏极特性显示了MOSFET的三个工作区域;截止、欧姆和饱和区域，包括两种操作模式，即损耗和增强模式。欧姆区和饱和区由一条称为截断轨迹的边界线隔开。截断电压是饱和发生时的最小电压。

在欧姆区，漏极电流ID随着V-DS的增大而增大。在饱和区，I-D变为常数，称为饱和电流，仅随VGS电平变化。在截止区，ID保持为零，但VGS必须降至传递曲线所示的-VTh以下。

当VGS = 0V或更低时，MOSFET工作在耗尽模式下，沟道宽度和电导率随着电压的下降而减小。当高于0V时，它开始增强和增加导电性。

#18P沟道D-MOSFET

P-Channel D-MOSFET

转移特性负曲线表明，当V-GS低于+Vth限值时，P沟道D-MOSFET导通。漏极特性曲线显示了不同VGS值下VDS与ID的关系。随着栅源电压VGS的减小，电流ID开始增大。

除了电压相反，N沟道和P沟道MOSFET之间没有太大的区别。

#19N沟道E-MOSFET

N-Channel E-MOSFET

如图所示，由于缺少通道，E-MOSFET在0 VGS下不导通。然而，一旦VGS -超过阈值电压Vth，它开始导通。它具有与工作在增强模式下的D-MOSFET相同的操作。

在VGS < VTh时，MOSFET工作在没有漏极电流ID的截止区。当VGS增加到VTh以上时，在欧姆区，ID开始随VDS增加。当VDS交叉掐断电压VP时，由掐断轨迹决定，ID趋于饱和并趋于恒定。

#20P沟道E-MOSFET

P-Channel E-MOSFET

P沟道E-MOSFET具有与N沟道E-MOSFET相同的特性曲线，只是电压相反。

#21IGBT的V-I特性

MOSFET的优点和缺点

Advantages & Disadvantages of MOSFET’s

1Advantages

优势

MOSFET的主要优点是没有栅电流，即它没有任何输入电流。

由于绝缘层，它具有非常高的输入阻抗。

由于泄漏电流极低，它在运行中消耗的能量可以忽略不计。

●具有非常高的切换速度

●用于非常高频的应用

●具有非常低的输出电阻

●尺寸很小

●可以在耗尽模式或增强模式下运行

●在低电压下工作时提供更高的效率

●是单极的，具有无噪音的操作

●是一种电压控制装置，功耗极低

MOSFET或金属氧化物半导体场效应晶体管是一种具有四个终端的场效应晶体管，即漏极、栅极、源极和体/衬底。本体端子与源端子短路，总共留下三个工作端子，就像任何其他晶体管一样。

2Disadvantages

缺点

●由于绝缘层的存在，栅极和沟道之间存在电容，该电容可能因静电电荷的积聚而损坏

●不能承受高电压

●比BJT贵

#22MOSFET的应用

Applications of MOSFETs

MOSFET主要用于电子电路中的开关和放大，以下是MOSFET的一些应用。

●用于快速开关和放大非常小的信号，如高频放大器

●功率MOSFET用于直流电机的功率调节

●由于其高开关速度，MOSFET最适合斩波电路

●由于它们的高效率和低功耗，它们在微控制器和微处理器等数字集成电路中用于其优越的开关速度

●用于SMPS(开关模式电源)

●用于CMOS(互补金属氧化物半导体)逻辑电路，其中P-MOS和N-MOS层组合在一起以减少空间和功耗

●用于H桥电路

●用于降压变换器和升压变换器。

相信本次的相遇只是我们彼此成就的开始

因为人生所有的修炼都只为在更高的地方遇见你

审核编辑：汤梓红