導語

晶體管是電子學和邏輯電路中的基本構件，用于開關和放大。MOSFET是場效應晶體管(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晶體管是一種具有四個終端的場效應晶體管，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置通道。施加柵極電壓減小通道寬度，使MOSFET關閉。而E-MOSFET也被稱為“正常關閉”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。向內的箭頭表示N溝道，向外的箭頭表示P溝道。

#3MOSFET的操作區域

MOSFET Regions of Operation

晶體管的作用就像絕緣體或導體，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域工作。

截止區:在這個區域，MOSFET保持關斷，沒有漏極電流ID。當MOSFET用作開關時，它利用該區域作為開關的off狀態或打開狀態。

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

線性或歐姆區:在這個區域，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，這在歐姆區域有效。當VDS達到截斷電壓VP時，IDS變為飽和IDSS，電流停止增加。該模式用于應用切換。

#7N溝道D型MOSFET的操作區域

Operating Regions of N-Channel D-MOSFET

截止區域:在該區域，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關閉。

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

線性或歐姆區域:在該區域，VGS > -Vth, VDS < V-P。MOSFET充當放大器。在該區域，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溝道相同的結構，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的操作區域

Operating Regions of P-Channel D-MOSFET

截止區:在此區域，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關閉。

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

線性或歐姆區域:在該區域，VGS < +Vth, VDS < V-P。MOSFET充當放大器。在該區域，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。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不導通并保持關斷。這就是為什么它也被稱為“正常關閉”MOSFET。通過在柵極和源極之間施加正向電壓，在基片中產生電荷載流子，從而在源極和漏極之間產生傳導電流的通道。

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具有相同的結構，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會在柵極層下產生電場。它的結果是吸引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通道。

通道產生的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

的操作區域

Operating Regions of N-Channel E-MOSFET

截止區域:在該區域，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。它像開關一樣工作。

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

線性或歐姆區域:在該區域，VGS > 0且VDS < V-GS。MOSFET充當放大器。在該區域，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的結構與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

的操作區域

Operating Regions of N-Channel E-MOSFET

截止區域:在該區域，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。它像開關一樣工作。

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

線性或歐姆區域:在該區域，VGS < 0且VDS < V-GS。MOSFET充當放大器。在該區域，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，有優點也有缺點。它產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

下表顯示了所有四個MOSFET的工作區域

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

轉移特性:轉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之間的關系。

#17N溝道D-MOSFET

N-Channel D-MOSFET

N溝道D-MOSFET轉移曲線顯示，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的三個工作區域;截止、歐姆和飽和區域，包括兩種操作模式，即損耗和增強模式。歐姆區和飽和區由一條稱為截斷軌跡的邊界線隔開。截斷電壓是飽和發生時的最小電壓。

在歐姆區，漏極電流ID隨著V-DS的增大而增大。在飽和區，I-D變為常數，稱為飽和電流，僅隨VGS電平變化。在截止區，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。當VGS增加到VTh以上時，在歐姆區，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的優點和缺點

Advantages & Disadvantages of MOSFET’s

1Advantages

優勢

MOSFET的主要優點是沒有柵電流，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晶體管是一種具有四個終端的場效應晶體管，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的應用

Applications of MOSFETs

MOSFET主要用于電子電路中的開關和放大，以下是MOSFET的一些應用。

●用于快速開關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節

●由于其高開關速度，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字集成電路中用于其優越的開關速度

●用于SMPS(開關模式電源)

●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