MOSFET的簡述及工作原理及應(yīng)用領(lǐng)域解析

MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）是一種半導(dǎo)體器件，廣泛用于開關(guān)目的和電子設(shè)備中電子信號的放大。由于MOSFET的尺寸非常小，因此MOSFET既可以是核心也可以是集成電路，可以在單個(gè)芯片中進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。MOSFET器件的引入帶來了電子開關(guān)領(lǐng)域的變化。

1 什么是MOSFET？

MOSFET是具有源極（Source），柵極（Gate），漏極（Drain）和主體（Body）端子的四端子設(shè)備。通常，MOSFET的主體與源極端子連接，從而形成諸如場效應(yīng)晶體管的三端子器件。MOSFET通常被認(rèn)為是晶體管，并且在模擬和數(shù)字電路中都使用。這是MOSFET的基本介紹。該設(shè)備的一般結(jié)構(gòu)如下：

場效應(yīng)晶體管

根據(jù)上述MOSFET結(jié)構(gòu)，MOSFET的功能取決于溝道寬度中發(fā)生的電氣變化以及載流子（空穴或電子）的流動。電荷載流子通過源極端子進(jìn)入通道，并通過漏極離開。

溝道的寬度由稱為柵極的電極上的電壓控制，該電極位于源極和漏極之間。它與極薄的金屬氧化物層附近的通道絕緣。器件中存在的MOS容量是整個(gè)操作的關(guān)鍵部分。

帶有端子的MOSFET

MOSFET可以通過兩種方式發(fā)揮作用：

1）耗盡模式（Depletion Mode）

2）增強(qiáng)模式（Enhancement Mode）

耗盡模式

當(dāng)柵極端子兩端沒有電壓時(shí)，該通道將顯示其最大電導(dǎo)。而當(dāng)柵極端子兩端的電壓為正或負(fù)時(shí)，則溝道電導(dǎo)率會降低。

舉例：

增強(qiáng)模式

當(dāng)柵極端子兩端沒有電壓時(shí)，該器件將不導(dǎo)通。當(dāng)柵極端子兩端的電壓最大時(shí)，該器件將顯示出增強(qiáng)的導(dǎo)電性。

增強(qiáng)模式

2 MOSFET的工作原理

MOSFET器件的主要原理是能夠控制源極端子和漏極端子之間的電壓和電流。它幾乎像一個(gè)開關(guān)一樣工作，并且該設(shè)備的功能基于MOS電容器。MOS電容器是MOSFET的主要部分。

通過分別施加正或負(fù)柵極電壓，可以將位于源極和漏極端子之間的下氧化層處的半導(dǎo)體表面從p型反轉(zhuǎn)為n型。當(dāng)我們對正柵極電壓施加排斥力時(shí)，氧化層下方的空穴將與基板一起向下推動。

耗盡區(qū)由與受體原子相關(guān)的結(jié)合的負(fù)電荷構(gòu)成。當(dāng)?shù)竭_(dá)電子時(shí)，會形成一個(gè)通道。正電壓還將電子從n +源極和漏極區(qū)吸引到溝道中?，F(xiàn)在，如果在漏極和源極之間施加電壓，電流將在源極和漏極之間自由流動，而柵極電壓將控制溝道中的電子。代替正電壓，如果我們施加負(fù)電壓，則將在氧化物層下方形成空穴通道。

MOSFET方框圖

P溝道MOSFET

P溝道MOSFET具有位于源極端子和漏極端子之間的P溝道區(qū)域。它是一個(gè)四端子設(shè)備，其端子分別為柵極，漏極，源極和主體。漏極和源極是重?fù)诫s的p +區(qū)域，主體或襯底為n型。電流流向帶正電的空穴的方向。

當(dāng)我們在柵極端子上施加具有排斥力的負(fù)電壓時(shí)，存在于氧化層下方的電子將被向下推入基板。耗盡區(qū)由與施主原子相關(guān)的結(jié)合正電荷構(gòu)成。負(fù)柵極電壓還將吸引來自p +源極和漏極區(qū)域的空穴進(jìn)入溝道區(qū)域。

耗盡模式P通道

P通道增強(qiáng)模式

N溝道MOSFET

N溝道MOSFET具有位于源極和漏極端子之間的N溝道區(qū)域。它是一個(gè)四端子設(shè)備，其端子分別為柵極，漏極，源極，主體。在這種場效應(yīng)晶體管中，漏極和源極是重?fù)诫s的n +區(qū)域，襯底或主體是P型的。

由于帶負(fù)電的電子，在這種類型的MOSFET中發(fā)生電流流動。當(dāng)我們在柵極端子上施加具有排斥力的正電壓時(shí)，存在于氧化層下方的空穴將被向下推入基板。耗盡區(qū)由與受體原子相關(guān)的結(jié)合負(fù)電荷構(gòu)成。

在電子到達(dá)時(shí)，形成通道。正電壓還將電子從n +源極和漏極區(qū)吸引到溝道中?，F(xiàn)在，如果在漏極和源極之間施加電壓，則電流將在源極和漏極之間自由流動，而柵極電壓將控制溝道中的電子。如果我們施加負(fù)電壓，則將在氧化層下方形成一個(gè)空穴通道，而不是正電壓。

增強(qiáng)模式N通道

MOSFET工作區(qū)

在最一般的情況下，此設(shè)備的操作主要發(fā)生在三個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域如下：

截止區(qū)域–這是設(shè)備將處于關(guān)閉狀態(tài)且零電流流過的區(qū)域。在此，該設(shè)備用作基本開關(guān)，并在需要用作電氣開關(guān)時(shí)使用。

飽和區(qū)域–在該區(qū)域中，器件的漏極至源極電流值將保持恒定，而無需考慮漏極至源極兩端的電壓升高。當(dāng)漏極到源極端子之間的電壓增加超過夾斷電壓值時(shí)，只會發(fā)生一次。在這種情況下，該設(shè)備用作閉合開關(guān)，在該開關(guān)中，流過漏極至源極端子的電流達(dá)到飽和水平。因此，當(dāng)設(shè)備應(yīng)該進(jìn)行切換時(shí)，選擇飽和區(qū)域。

線性/歐姆區(qū)域–該區(qū)域是漏極至源極兩端的電流隨漏極至源極路徑兩端電壓的增加而增強(qiáng)的區(qū)域。當(dāng)MOSFET器件在此線性區(qū)域中工作時(shí)，它們將執(zhí)行放大器功能。

現(xiàn)在讓我們考慮MOSFET的開關(guān)特性

諸如MOSFET或雙極結(jié)晶體管之類的半導(dǎo)體在兩種情況下也基本上起著開關(guān)的作用：一種是導(dǎo)通狀態(tài)，另一種是截止?fàn)顟B(tài)。為了考慮這種功能，讓我們看一下MOSFET器件的理想和實(shí)用特性。

理想的開關(guān)特性

當(dāng)MOSFET可以用作理想開關(guān)時(shí)，它應(yīng)具有以下特性，這些特性是

在“開”狀態(tài)下，它必須具有電流限制

在關(guān)斷狀態(tài)下，阻塞電壓電平不應(yīng)有任何限制

當(dāng)設(shè)備處于開啟狀態(tài)時(shí)，電壓降值應(yīng)為零

關(guān)斷狀態(tài)下的電阻應(yīng)無窮大

操作速度上不應(yīng)有任何限制

實(shí)用的開關(guān)特性

由于世界不僅限于理想的應(yīng)用，因此MOSFET的功能甚至適用于實(shí)際目的。在實(shí)際情況下，設(shè)備應(yīng)具有以下屬性

在接通條件下，應(yīng)限制功率管理能力，這意味著必須限制傳導(dǎo)電流的流動。

在關(guān)閉狀態(tài)下，不應(yīng)限制阻斷電壓水平

開啟和關(guān)閉有限的時(shí)間限制了設(shè)備的極限速度，甚至限制了功能頻率

在MOSFET器件導(dǎo)通的情況下，電阻值極小，這會導(dǎo)致正向偏置電壓下降。此外，存在有限的OFF狀態(tài)電阻，該電阻可提供反向泄漏電流

當(dāng)設(shè)備以實(shí)際性能運(yùn)行時(shí)，它會在開啟和關(guān)閉條件下失去電源。即使在過渡狀態(tài)中也會發(fā)生這種情況。

MOSFET作為開關(guān)的示例

在下面的電路布置中，增強(qiáng)模式和N溝道MOSFET用于在條件為ON和OFF的情況下切換樣品燈。柵極端子上的正電壓施加到晶體管的基極，并且燈進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)V GS = + v或處于零電壓電平，器件會變?yōu)閂 GS = 0的關(guān)斷狀態(tài)。

MOSFET作為開關(guān)

如果要用電感性負(fù)載代替燈的電阻性負(fù)載，并將其連接到受負(fù)載保護(hù)的繼電器或二極管上。在上述電路中，它是用于切換電阻性負(fù)載（例如燈或LED）的非常簡單的電路。但是，當(dāng)將MOSFET用作感性負(fù)載或容性負(fù)載的開關(guān)時(shí)，則MOSFET器件需要保護(hù)。

如果在不保護(hù)MOSFET的情況下，則可能導(dǎo)致器件損壞。為了使MOSFET用作模擬開關(guān)器件，需要在V GS = 0的截止區(qū)域和V GS = + v的飽和區(qū)域之間切換。

MOSFET也可以用作晶體管，縮寫為金屬氧化物硅場效應(yīng)晶體管。在這里，名稱本身表示該設(shè)備可以作為晶體管工作。它將具有P通道和N通道。使用四個(gè)源極，柵極和漏極端子以這種方式連接該器件，并且將24Ω的電阻負(fù)載與一個(gè)電流表串聯(lián)連接，并且將一個(gè)電壓表跨接在MOSFET上。

在晶體管中，在柵極中流動的電流為正方向，并且源極端子接地。而在雙極結(jié)型晶體管器件中，電流流經(jīng)基極-發(fā)射極路徑。但是在該器件中，沒有電流流動，因?yàn)樵陂T的開始處有一個(gè)電容器，它僅需要電壓。

這可以通過繼續(xù)進(jìn)行仿真過程以及打開/關(guān)閉電源來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開關(guān)接通時(shí)，電路上沒有電流流過，當(dāng)連接了24Ω的電阻和0.29的電流表電壓時(shí)，由于整個(gè)器件上有+ 0.21V的電壓，因此我們發(fā)現(xiàn)電源兩端的壓降可忽略不計(jì)。

漏極和源極之間的電阻稱為RDS。由于此RDS，電路中有電流流動時(shí)會出現(xiàn)電壓降。RDS因設(shè)備類型而異（根據(jù)電壓類型，RDS可能在0.001、0.005和0.05之間變化。

要學(xué)習(xí)的概念很少：

1）。如何選擇MOSFET作為開關(guān)？

選擇MOSFET作為開關(guān)時(shí)，幾乎沒有什么條件可遵循，這些條件如下：

P或N通道極性的使用

最大額定工作電壓和電流值

增加Rds ON，這意味著當(dāng)通道完全打開時(shí)，漏極到源極的電阻

提升運(yùn)作頻率

包裝類型為To-220和DPAck等。

2）。什么是MOSFET開關(guān)效率？

在將MOSFET用作開關(guān)器件時(shí)的主要限制是該器件能夠提供的增強(qiáng)的漏極電流值。這意味著RDS處于導(dǎo)通狀態(tài)是決定MOSFET開關(guān)能力的關(guān)鍵參數(shù)。它表示為漏極-源極電壓與漏極電流的比值。必須僅在晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算。

3）。為什么在升壓轉(zhuǎn)換器中使用MOSFET開關(guān)？

通常，升壓轉(zhuǎn)換器需要開關(guān)晶體管來使器件工作。因此，使用開關(guān)晶體管MOSFET。這些設(shè)備用于了解電流值和電壓值。而且，考慮到切換速度和成本，這些被廣泛采用。

MOSFET作為開關(guān)的應(yīng)用

該設(shè)備最重要的例子之一是用作路燈自動亮度控制的開關(guān)。如今，我們在高速公路上觀察到的許多燈都是由高強(qiáng)度放電燈組成的。但是使用HID燈會消耗更多的能量。

不能根據(jù)要求限制亮度，因此，必須有一個(gè)替代照明方法的開關(guān)，它是LED。LED系統(tǒng)的使用將克服高強(qiáng)度燈的缺點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)背后的主要概念是利用微處理器直接在高速公路上控制燈光。

MOSFET用作開關(guān)

只需修改時(shí)鐘脈沖即可實(shí)現(xiàn)。根據(jù)需要，該設(shè)備可用于開關(guān)燈。它由一個(gè)覆盆子pi板組成，其中包含用于管理的處理器。在這里，LED可以代替HID，并且它們通過MOSFET與處理器連接。微控制器提供相應(yīng)的占空比，然后切換到MOSFET以提供高強(qiáng)度。

好處

優(yōu)勢很少：

即使在最小電壓水平下運(yùn)行，也能產(chǎn)生更高的效率

沒有柵極電流會產(chǎn)生更多的輸入阻抗，從而進(jìn)一步提高了器件的開關(guān)速度

這些設(shè)備可以在最小功率水平下運(yùn)行，并使用最小電流

缺點(diǎn)

缺點(diǎn)很少：

當(dāng)這些設(shè)備在過載電壓水平下運(yùn)行時(shí)，會導(dǎo)致設(shè)備不穩(wěn)定

由于設(shè)備具有薄的氧化層，因此在受到靜電電荷刺激時(shí)，可能會損壞設(shè)備

應(yīng)用領(lǐng)域

MOSFET的應(yīng)用是

MOSFET制成的放大器在廣泛的頻率應(yīng)用中被廣泛采用

這些設(shè)備提供了直流電動機(jī)的規(guī)定

由于它們提高了開關(guān)速度，因此非常適合斬波放大器的結(jié)構(gòu)

用作各種電子元件的無源組件。
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