導(dǎo)語(yǔ)

晶體管是電子學(xué)和邏輯電路中的基本構(gòu)件，用于開(kāi)關(guān)和放大。MOSFET是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的一種，其柵極通過(guò)使用絕緣層進(jìn)行電隔離。因此，它也被稱(chēng)為IGFET(絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。

#1什么是MOSFET?

What is a MOSFET?

MOSFET或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種具有四個(gè)終端的場(chǎng)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(gè)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(guò)通道傳導(dǎo)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(méi)有任何輸入電流。

#2主要類(lèi)型

Symbol

MOSFET主要有兩種類(lèi)型：

● 損耗型MOSFET或d型MOSFET

●增強(qiáng)MOSFET或E-MOSFET

這兩種類(lèi)型都可以根據(jù)n通道和p通道進(jìn)行劃分

D-MOSFET也被稱(chēng)為“normally ON”MOSFET，因?yàn)樗鼈冊(cè)谥圃爝^(guò)程中具有內(nèi)置通道。施加?xùn)艠O電壓減小通道寬度，使MOSFET關(guān)閉。而E-MOSFET也被稱(chēng)為“正常關(guān)閉”MOSFET，因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程中沒(méi)有通道，但它是由施加電壓誘導(dǎo)的。

因此，D-MOSFET符號(hào)有一條連續(xù)的線來(lái)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(dòng)。而E-MOSFET中的折線則表示柵極源電壓為零時(shí)電流流動(dòng)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(gè)非常小的信號(hào)。MOSFET就像任何其他晶體管一樣也在三個(gè)區(qū)域工作。

截止區(qū):在這個(gè)區(qū)域，MOSFET保持關(guān)斷，沒(méi)有漏極電流ID。當(dāng)MOSFET用作開(kāi)關(guān)時(shí)，它利用該區(qū)域作為開(kāi)關(guān)的off狀態(tài)或打開(kāi)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(dāng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)狀態(tài)或閉合狀態(tài)。MOSFET完全開(kāi)啟，允許最大漏極電流I-D通過(guò)它。

線性或歐姆區(qū):在這個(gè)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(kuò)增。

#4MOSFET的類(lèi)型

Types of MOSFETs

MOSFET主要分為兩種類(lèi)型:

● 耗盡型MOSFET或D-MOSFET-(D & N溝道)

● 增強(qiáng)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(guò)程中構(gòu)建溝道的MOSFET。換句話說(shuō)，即使沒(méi)有施加電壓，它也有通道。因此，當(dāng)柵源電壓V—GS = 0伏時(shí)，它可以在源極與漏極之間導(dǎo)流。由于這個(gè)原因，它也被稱(chēng)為“Normally ON”MOSFET。

以反向偏置連接?xùn)艠O-源端將耗盡電荷載流子的通道，因此稱(chēng)為耗盡型MOSFET。它減小了通道的寬度，直到通道完全消失。此時(shí)，D-MOSFET停止傳導(dǎo)，這個(gè)V-GS電壓被稱(chēng)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(huì)誘導(dǎo)出更多的多數(shù)載流子，通道寬度也會(huì)增大。這將導(dǎo)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(qiáng)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(lèi)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(chǎng)，影響這些載流子的流動(dòng)。

當(dāng)柵極以反向偏置連接時(shí)，即施加負(fù)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(fù)VGS下，MOSFET將停止傳導(dǎo)，因?yàn)闆](méi)有通道。這個(gè)V-GS是閾值電壓Vth，N溝道MOSFET具有-Vth。

而增加VGS -將增強(qiáng)(增加)其電導(dǎo)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(dāng)VDS達(dá)到截?cái)嚯妷篤P時(shí)，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(wú)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(dāng)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(gè)缺點(diǎn)。它們比電子重得多，因此會(huì)導(dǎo)致它在運(yùn)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(dǎo)電流。柵極電壓可以影響通道寬度，使其增大或減小。

當(dāng)在柵極處施加一個(gè)正的VGS時(shí)，電場(chǎng)將導(dǎo)致吸引來(lái)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(diǎn)上，VGS完全消除通道并停止電流的流動(dòng)。

因此，P溝道D-MOSFET具有正閾值電壓，即當(dāng)施加正VGS時(shí)它關(guān)閉，當(dāng)沒(méi)有VGS時(shí)它打開(kāi)。施加負(fù)電壓將誘導(dǎo)更多的孔洞進(jìn)入通道，從而增加或增強(qiáng)其電流傳導(dǎo)。

#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(wú)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(dāng)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(qiáng)

Enhancement MOSFET

增強(qiáng)型MOSFET或E-MOSFET是一種在制造過(guò)程中沒(méi)有溝道的MOSFET。相反，通道是通過(guò)施加電壓通過(guò)其柵極在襯底感應(yīng)。電壓增強(qiáng)了它的傳導(dǎo)能力，因此得名。

當(dāng)柵極沒(méi)有電壓時(shí)，E-MOSFET不導(dǎo)通并保持關(guān)斷。這就是為什么它也被稱(chēng)為“正常關(guān)閉”MOSFET。通過(guò)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(dǎo)電流的通道。

施加高于閾值電壓的電壓增強(qiáng)了通道寬度并增加了電流，因此稱(chēng)為增強(qiáng)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(guò)程中沒(méi)有溝道。該通道是通過(guò)在其柵極上施加電壓而產(chǎn)生的。

當(dāng)VGS = 0伏時(shí)，N溝道E-MOSFET的源極和漏極之間不導(dǎo)電。因?yàn)闆](méi)有通道讓電流流過(guò)。在柵極上施加正電壓+VGS會(huì)在柵極層下產(chǎn)生電場(chǎng)。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(chēng)為Vth閾值電壓，當(dāng)電壓高于Vth時(shí)，通道寬度會(huì)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(wú)論VDS的值如何，都不存在漏極電流ID = 0的情況。它像開(kāi)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(dāng)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(méi)有溝道。在施工過(guò)程中沒(méi)有通道。它是用VGS -誘導(dǎo)的。

當(dāng)-VGS作用于柵極時(shí)，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(kāi)始傳導(dǎo)電流。

與N通道相同，當(dāng)VGS = 0 v時(shí)，它不導(dǎo)通，當(dāng)電壓低于V-th時(shí)，通道寬度增加，允許更多的電流通過(guò)。

#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(wú)論VDS的值如何，都不存在漏極電流ID = 0的情況。它像開(kāi)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(dāng)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(kāi)關(guān)或放大器一樣工作。MOSFET的工作取決于它的類(lèi)型和偏置。它們可以在耗盡模式或增強(qiáng)模式下運(yùn)行。

MOSFET在溝道和柵極電極之間有一絕緣層。這個(gè)絕緣層增加了它的輸入阻抗。因此，它不允許任何門(mén)電流。相反，它對(duì)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(diǎn)也有缺點(diǎn)。它產(chǎn)生一個(gè)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(huì)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(gè)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(dòng)。為了減少或阻止電流ID的傳導(dǎo)，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(qiáng)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(qiáng)溝道的寬度。這個(gè)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(lèi)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(gè)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(qiáng)模式下工作，而增強(qiáng)MOSFET只能在增強(qiáng)模式下工作。

在場(chǎng)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(dāng)VGS超過(guò)VTh閾值電壓時(shí)，MOSFET導(dǎo)漏電流ID -。閾值電壓低于0v，可以在0v-gs下導(dǎo)電。

漏極特性顯示了MOSFET的三個(gè)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(qiáng)模式。歐姆區(qū)和飽和區(qū)由一條稱(chēng)為截?cái)嘬壽E的邊界線隔開(kāi)。截?cái)嚯妷菏秋柡桶l(fā)生時(shí)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(chēng)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(dāng)VGS = 0V或更低時(shí)，MOSFET工作在耗盡模式下，溝道寬度和電導(dǎo)率隨著電壓的下降而減小。當(dāng)高于0V時(shí)，它開(kāi)始增強(qiáng)和增加導(dǎo)電性。

#18P溝道D-MOSFET

P-Channel D-MOSFET

轉(zhuǎn)移特性負(fù)曲線表明，當(dāng)V-GS低于+Vth限值時(shí)，P溝道D-MOSFET導(dǎo)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(kāi)始增大。

除了電壓相反，N溝道和P溝道MOSFET之間沒(méi)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(dǎo)通。然而，一旦VGS -超過(guò)閾值電壓Vth，它開(kāi)始導(dǎo)通。它具有與工作在增強(qiáng)模式下的D-MOSFET相同的操作。

在VGS < VTh時(shí)，MOSFET工作在沒(méi)有漏極電流ID的截止區(qū)。當(dāng)VGS增加到VTh以上時(shí)，在歐姆區(qū)，ID開(kāi)始隨VDS增加。當(dāng)VDS交叉掐斷電壓VP時(shí)，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(diǎn)和缺點(diǎn)

Advantages & Disadvantages of MOSFET’s

1Advantages

優(yōu)勢(shì)

MOSFET的主要優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有柵電流，即它沒(méi)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(yùn)行中消耗的能量可以忽略不計(jì)。

●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(qiáng)模式下運(yùn)行

●在低電壓下工作時(shí)提供更高的效率

●是單極的，具有無(wú)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種具有四個(gè)終端的場(chǎng)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(gè)工作端子，就像任何其他晶體管一樣。

2Disadvantages

缺點(diǎn)

●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(kāi)關(guān)和放大，以下是MOSFET的一些應(yīng)用。

●用于快速開(kāi)關(guān)和放大非常小的信號(hào)，如高頻放大器

●功率MOSFET用于直流電機(jī)的功率調(diào)節(jié)

●由于其高開(kāi)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?cè)?a target="_blank">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(kāi)關(guān)速度

●用于SMPS(開(kāi)關(guān)模式電源)

●用于CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(kāi)始

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審核編輯：湯梓紅