導語

晶體管是電子學和邏輯電路中的基本構(gòu)件，用于開關(guān)和放大。MOSFET是場效應(yīng)晶體管(FET)的一種，其柵極通過使用絕緣層進行電隔離。因此，它也被稱為IGFET(絕緣柵場效應(yīng)晶體管)。

#1什么是MOSFET?

What is a MOSFET?

MOSFET或金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管是一種具有四個終端的場效應(yīng)晶體管，即漏極、柵極、源極和體/襯底。本體端子與源端子短路，總共留下三個工作端子，就像任何其他晶體管一樣。

MOSFET在其源極和漏極之間通過通道傳導電流。該通道的寬度由柵極端子處的電壓控制。

MOSFET是一種電壓控制器件，其輸出取決于柵極電壓。使用一層薄薄的二氧化硅將金屬氧化物柵與通道電隔離。它在兆歐范圍內(nèi)顯著增加了輸入阻抗“106 = MΩ”。因此，MOSFET沒有任何輸入電流。

#2主要類型

Symbol

MOSFET主要有兩種類型：

● 損耗型MOSFET或d型MOSFET

●增強MOSFET或E-MOSFET

這兩種類型都可以根據(jù)n通道和p通道進行劃分

D-MOSFET也被稱為“normally ON”MOSFET，因為它們在制造過程中具有內(nèi)置通道。施加柵極電壓減小通道寬度，使MOSFET關(guān)閉。而E-MOSFET也被稱為“正常關(guān)閉”MOSFET，因為在制造過程中沒有通道，但它是由施加電壓誘導的。

因此，D-MOSFET符號有一條連續(xù)的線來表示漏極和源極之間的通道，該通道允許電流在零柵源電壓下流動。而E-MOSFET中的折線則表示柵極源電壓為零時電流流動的斷路或通道缺失。向內(nèi)的箭頭表示N溝道，向外的箭頭表示P溝道。

#3MOSFET的操作區(qū)域

MOSFET Regions of Operation

晶體管的作用就像絕緣體或?qū)w，基于一個非常小的信號。MOSFET就像任何其他晶體管一樣也在三個區(qū)域工作。

截止區(qū):在這個區(qū)域，MOSFET保持關(guān)斷，沒有漏極電流ID。當MOSFET用作開關(guān)時，它利用該區(qū)域作為開關(guān)的off狀態(tài)或打開狀態(tài)。

飽和區(qū):在飽和區(qū)，MOSFET允許源極和漏極之間的恒定電流。它充當開關(guān)的開狀態(tài)或閉合狀態(tài)。MOSFET完全開啟，允許最大漏極電流I-D通過它。

線性或歐姆區(qū):在這個區(qū)域，MOSFET提供恒定的電阻，由電壓電平V-GS控制。漏極電流隨電壓-V - GS的升高而增大。因此，該區(qū)域用于擴增。

#4MOSFET的類型

Types of MOSFETs

MOSFET主要分為兩種類型:

● 耗盡型MOSFET或D-MOSFET-(D & N溝道)

● 增強型MOSFET或E-MOSFET-(D & N通道)

#5MOSFET的損耗

Depletion MOSFET

耗盡型MOSFET或D-MOSFET是一種在制造過程中構(gòu)建溝道的MOSFET。換句話說，即使沒有施加電壓，它也有通道。因此，當柵源電壓V—GS = 0伏時，它可以在源極與漏極之間導流。由于這個原因，它也被稱為“Normally ON”MOSFET。

以反向偏置連接柵極-源端將耗盡電荷載流子的通道，因此稱為耗盡型MOSFET。它減小了通道的寬度，直到通道完全消失。此時，D-MOSFET停止傳導，這個V-GS電壓被稱為VTH閾值電壓。

如果柵極和源極以正偏置方式連接，增大VGS，則通道中會誘導出更多的多數(shù)載流子，通道寬度也會增大。這將導致漏極和源極之間的電流增加。這就是為什么D-MOSFET可以在耗盡和增強模式下工作。

D-MOSFET可以是“N溝道D-MOSFET”或“P溝道D-MOSFET”，具體取決于所使用的溝道。通道的類型也影響它的偏置以及它的速度和電流容量。

#6N溝道D-MOSFET

N-Channel D-MOSFET

在N溝道D-MOSFET中，源極和漏極被放置在小的N型層上。而柵極電極被放置在絕緣金屬氧化物層的頂部，該金屬氧化物層將其與下面的通道電隔離。為N型材料制造的通道在P型襯底上制造。

該通道由N型材料制成，由電子作為載流子組成，柵極處的電壓產(chǎn)生電場，影響這些載流子的流動。

當柵極以反向偏置連接時，即施加負電壓VGS < 0伏，P襯底上的空穴將吸引柵極，耗盡其電子并減小通道尺寸。在某些負VGS下，MOSFET將停止傳導，因為沒有通道。這個V-GS是閾值電壓Vth，N溝道MOSFET具有-Vth。

而增加VGS -將增強(增加)其電導率，即漏極電流ID將隨著漏極-源極電壓VDS而增加。然而，這在歐姆區(qū)域有效。當VDS達到截斷電壓VP時，IDS變?yōu)轱柡虸DSS，電流停止增加。該模式用于應(yīng)用切換。

#7N溝道D型MOSFET的操作區(qū)域

Operating Regions of N-Channel D-MOSFET

截止區(qū)域:在該區(qū)域，柵源電壓V-GS≤-Vth。無論VDS的值如何，都不存在漏極電流ID = 0的情況。MOSFET關(guān)閉。

飽和區(qū):該區(qū)域VGS > -Vth, VDS > V-P。MOSFET允許最大漏極電流IDSS，這取決于VGS。

線性或歐姆區(qū)域:在該區(qū)域，VGS > -Vth, VDS < V-P。MOSFET充當放大器。在該區(qū)域，電流ID隨VDS的增大而增大，其放大取決于VGS，如VI特性所示。

#8P溝道D-MOSFET

P-Channel D-MOSFET

P溝道D-MOSFET具有與N溝道相同的結(jié)構(gòu)，除了漏極，源極位于P型層上。所述通道由在N型襯底上的P層構(gòu)成。所使用的電荷載體是空穴。與電子相比，空穴有一個缺點。它們比電子重得多，因此會導致它在運行中失去一些速度。

在正常情況下，只要源極和漏極之間有電壓，它就能傳導電流。柵極電壓可以影響通道寬度，使其增大或減小。

當在柵極處施加一個正的VGS時，電場將導致吸引來自與空穴結(jié)合的N型襯底的電子，從而耗盡通道中的載流子。它減少了通道的寬度和電流的量。在某一點上，VGS完全消除通道并停止電流的流動。

因此，P溝道D-MOSFET具有正閾值電壓，即當施加正VGS時它關(guān)閉，當沒有VGS時它打開。施加負電壓將誘導更多的孔洞進入通道，從而增加或增強其電流傳導。

#9P溝道D型

MOSFET的操作區(qū)域

Operating Regions of P-Channel D-MOSFET

截止區(qū):在此區(qū)域，柵源電壓V-GS = +Vth。無論VDS的值如何，都不存在漏極電流ID = 0的情況。MOSFET關(guān)閉。

飽和區(qū):該區(qū)域VGS < +Vth, VDS > V-P。MOSFET允許最大漏極電流IDSS，這取決于VGS的水平。

線性或歐姆區(qū)域:在該區(qū)域，VGS < +Vth, VDS < V-P。MOSFET充當放大器。在該區(qū)域，電流ID隨VDS的增大而增大，其放大取決于VGS，如VI特性所示。

#10MOSFET的增強

Enhancement MOSFET

增強型MOSFET或E-MOSFET是一種在制造過程中沒有溝道的MOSFET。相反，通道是通過施加電壓通過其柵極在襯底感應(yīng)。電壓增強了它的傳導能力，因此得名。

當柵極沒有電壓時，E-MOSFET不導通并保持關(guān)斷。這就是為什么它也被稱為“正常關(guān)閉”MOSFET。通過在柵極和源極之間施加正向電壓，在基片中產(chǎn)生電荷載流子，從而在源極和漏極之間產(chǎn)生傳導電流的通道。

施加高于閾值電壓的電壓增強了通道寬度并增加了電流，因此稱為增強型MOSFET。

E-MOSFET也分為N溝道和P溝道E-MOSFET。

#11N溝道E-MOSFET

N-Channel E-MOSFET

N溝道E-MOSFET與D-MOSFET具有相同的結(jié)構(gòu)，只是在制造過程中沒有溝道。該通道是通過在其柵極上施加電壓而產(chǎn)生的。

當VGS = 0伏時，N溝道E-MOSFET的源極和漏極之間不導電。因為沒有通道讓電流流過。在柵極上施加正電壓+VGS會在柵極層下產(chǎn)生電場。它的結(jié)果是吸引P基板上的電子，并將空穴推離絕緣層。一種允許電流在源極和漏極之間的感應(yīng)通道。

通道產(chǎn)生的VGS稱為Vth閾值電壓，當電壓高于Vth時，通道寬度會增大。

#12N溝道E-MOSFET

的操作區(qū)域

Operating Regions of N-Channel E-MOSFET

截止區(qū)域:在該區(qū)域，柵源電壓V-GS≤0v。無論VDS的值如何，都不存在漏極電流ID = 0的情況。它像開關(guān)一樣工作。

飽和區(qū):該區(qū)域VGS > 0v, VDS > V-GS。MOSFET允許最大漏極電流IDSS，這取決于VGS的水平。

線性或歐姆區(qū)域:在該區(qū)域，VGS > 0且VDS < V-GS。MOSFET充當放大器。在該區(qū)域，電流ID隨VDS的增大而增大，其放大取決于VGS，如VI特性所示。

#13P溝道E-MOSFET

P-Channel E-MOSFET

P溝道E-MOSFET的結(jié)構(gòu)與P溝道D-MOSFET相同，只是沒有溝道。在施工過程中沒有通道。它是用VGS -誘導的。

當-VGS作用于柵極時，正電荷(空穴)聚集在絕緣層下面，電子被推回。這些孔洞聚集在一起形成源和漏之間的通道。現(xiàn)在，如果在源極和漏極之間施加電壓，它將開始傳導電流。

與N通道相同，當VGS = 0 v時，它不導通，當電壓低于V-th時，通道寬度增加，允許更多的電流通過。

#14N溝道E-MOSFET

的操作區(qū)域

Operating Regions of N-Channel E-MOSFET

截止區(qū)域:在該區(qū)域，柵源電壓V-GS≥0v。無論VDS的值如何，都不存在漏極電流ID = 0的情況。它像開關(guān)一樣工作。

飽和區(qū):該區(qū)域VGS < 0v, VDS > V-GS。MOSFET允許最大漏極電流IDSS，這取決于VGS的水平。

線性或歐姆區(qū)域:在該區(qū)域，VGS < 0且VDS < V-GS。MOSFET充當放大器。在該區(qū)域，電流ID隨VDS的增大而增大，其放大取決于VGS，如VI特性所示。

#15MOSFET的工作

Working of MOSFET

MOSFET可以像開關(guān)或放大器一樣工作。MOSFET的工作取決于它的類型和偏置。它們可以在耗盡模式或增強模式下運行。

MOSFET在溝道和柵極電極之間有一絕緣層。這個絕緣層增加了它的輸入阻抗。因此，它不允許任何門電流。相反，它對施加到其柵極端的電壓起作用。

絕緣層形成扁平電容器，有優(yōu)點也有缺點。它產(chǎn)生一個非常高的輸入阻抗，因此，具有非常低的功耗。但是靜電電荷會永久地破壞這層薄薄的絕緣層。

在耗盡模式下，MOSFET在源極和漏極之間有一個內(nèi)置通道。在源極和漏極之間施加電壓VDS使漏極電流ID流動。為了減少或阻止電流ID的傳導，在柵極上施加反向偏置電壓VGS。它耗盡了載流子的通道，減小了通道的寬度。

在增強模式下，在柵極上施加正向偏置電壓VGS，吸引襯底上的少數(shù)載流子。它們積聚在柵電極下面，以增加或增強溝道的寬度。這個寬度取決于柵極電壓的大小。電壓越高，積累的電荷量越大，通道越寬。因此，漏極電流ID也增加。

下表顯示了所有四種類型的MOSFET在不同柵源電壓VGS水平下的狀態(tài)

下表顯示了所有四個MOSFET的工作區(qū)域

柵極到源電壓

Vth Threshold Voltage

VDS漏極到源電壓

VP掐斷電壓

損耗MOSFET可以在耗盡模式和增強模式下工作，而增強MOSFET只能在增強模式下工作。

在場效應(yīng)管中，由于漏極和源極由相同的材料制成，它們是可互換的。漏極是電壓比源極高的端。

#16MOSFET的特性

或V-I曲線

Characteristics or V-I Curve of MOSFETs

轉(zhuǎn)移特性:轉(zhuǎn)移特性曲線表示輸入柵極電壓VGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系。

漏極特性:漏極特性曲線顯示漏極源極電壓VDS與漏極電流ID之間的關(guān)系。

#17N溝道D-MOSFET

N-Channel D-MOSFET

N溝道D-MOSFET轉(zhuǎn)移曲線顯示，當VGS超過VTh閾值電壓時，MOSFET導漏電流ID -。閾值電壓低于0v，可以在0v-gs下導電。

漏極特性顯示了MOSFET的三個工作區(qū)域;截止、歐姆和飽和區(qū)域，包括兩種操作模式，即損耗和增強模式。歐姆區(qū)和飽和區(qū)由一條稱為截斷軌跡的邊界線隔開。截斷電壓是飽和發(fā)生時的最小電壓。

在歐姆區(qū)，漏極電流ID隨著V-DS的增大而增大。在飽和區(qū)，I-D變?yōu)槌?shù)，稱為飽和電流，僅隨VGS電平變化。在截止區(qū)，ID保持為零，但VGS必須降至傳遞曲線所示的-VTh以下。

當VGS = 0V或更低時，MOSFET工作在耗盡模式下，溝道寬度和電導率隨著電壓的下降而減小。當高于0V時，它開始增強和增加導電性。

#18P溝道D-MOSFET

P-Channel D-MOSFET

轉(zhuǎn)移特性負曲線表明，當V-GS低于+Vth限值時，P溝道D-MOSFET導通。漏極特性曲線顯示了不同VGS值下VDS與ID的關(guān)系。隨著柵源電壓VGS的減小，電流ID開始增大。

除了電壓相反，N溝道和P溝道MOSFET之間沒有太大的區(qū)別。

#19N溝道E-MOSFET

N-Channel E-MOSFET

如圖所示，由于缺少通道，E-MOSFET在0 VGS下不導通。然而，一旦VGS -超過閾值電壓Vth，它開始導通。它具有與工作在增強模式下的D-MOSFET相同的操作。

在VGS < VTh時，MOSFET工作在沒有漏極電流ID的截止區(qū)。當VGS增加到VTh以上時，在歐姆區(qū)，ID開始隨VDS增加。當VDS交叉掐斷電壓VP時，由掐斷軌跡決定，ID趨于飽和并趨于恒定。

#20P溝道E-MOSFET

P-Channel E-MOSFET

P溝道E-MOSFET具有與N溝道E-MOSFET相同的特性曲線，只是電壓相反。

#21IGBT的V-I特性

MOSFET的優(yōu)點和缺點

Advantages & Disadvantages of MOSFET’s

1Advantages

優(yōu)勢

MOSFET的主要優(yōu)點是沒有柵電流，即它沒有任何輸入電流。

由于絕緣層，它具有非常高的輸入阻抗。

由于泄漏電流極低，它在運行中消耗的能量可以忽略不計。

●具有非常高的切換速度

●用于非常高頻的應(yīng)用

●具有非常低的輸出電阻

●尺寸很小

●可以在耗盡模式或增強模式下運行

●在低電壓下工作時提供更高的效率

●是單極的，具有無噪音的操作

●是一種電壓控制裝置，功耗極低

MOSFET或金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管是一種具有四個終端的場效應(yīng)晶體管，即漏極、柵極、源極和體/襯底。本體端子與源端子短路，總共留下三個工作端子，就像任何其他晶體管一樣。

2Disadvantages

缺點

●由于絕緣層的存在，柵極和溝道之間存在電容，該電容可能因靜電電荷的積聚而損壞

●不能承受高電壓

●比BJT貴

#22MOSFET的應(yīng)用

Applications of MOSFETs

MOSFET主要用于電子電路中的開關(guān)和放大，以下是MOSFET的一些應(yīng)用。

●用于快速開關(guān)和放大非常小的信號，如高頻放大器

●功率MOSFET用于直流電機的功率調(diào)節(jié)

●由于其高開關(guān)速度，MOSFET最適合斬波電路

●由于它們的高效率和低功耗，它們在微控制器和微處理器等數(shù)字集成電路中用于其優(yōu)越的開關(guān)速度

●用于SMPS(開關(guān)模式電源)

●用于CMOS(互補金屬氧化物半導體)邏輯電路，其中P-MOS和N-MOS層組合在一起以減少空間和功耗

●用于H橋電路

●用于降壓變換器和升壓變換器。

相信本次的相遇只是我們彼此成就的開始

因為人生所有的修煉都只為在更高的地方遇見你

審核編輯：湯梓紅