MOSFET 簡介

MOSFET就是以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管，其特點是用柵極電壓來控制漏極電流。

以N溝道增強型NMOSFET為例，用一塊P型硅半導體材料作襯底，在其面上擴散了兩個N型區(qū)，再在上面覆蓋一層二氧化硅(SiO2）絕緣層，最后在N區(qū)上方用腐蝕的方法做成兩個孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個孔內(nèi)做成三個電極：G(柵極）、S（源極）及D（漏極）。

 

MOSFET 種類

按照制作工藝可以區(qū)分為為增強型、耗盡型、P溝道、N溝道共4種類型，在實際應用中，以增強型的NMOS和增強型的PMOS為主。

怎么區(qū)分是N溝道還是P溝道：中間的箭頭指向內(nèi)部的是N溝道，反之，則是P溝道。

怎么區(qū)分是增強型還是耗盡型：中間是虛線的是增強型，是實線的是耗盡型。

 

MOSFET 基本工作原理

通過改變柵源電壓VGS來控制溝道的導電能力，從而控制漏極電流ID。因此它是一個電壓控制型器件。轉移特性反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力 。

NMOS的特性，Vgs大于一定的值就會導通，適合用于源極接地時的情況(低端驅(qū)動)，只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會導通，適合用于源極接VCC時的情況(高端驅(qū)動)。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導通電阻大，價格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動中，通常還是使用NMOS。

 

增強型和耗盡型

耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時有導電溝道存在，而增強型MOS管只有在開啟后，才會出現(xiàn)導電溝道；兩者的控制方式也不一樣，耗盡型MOS管的VGS（柵極電壓）可以用正、零、負電壓控制導通，而增強型MOS管必須達到VGS（th）（柵極閾值電壓）才能導通。

（1）增強型：柵極與襯底間不加電壓時，柵極下面沒有溝道存在，也就是說，對于NMOS，閾值電壓大于0；PMOS，小于0。

（2）耗盡型：柵極與襯底間不加電壓時，柵極下面已有溝道存在，也就是說，對于NMOS，閾值電壓小于0；PMOS，大于0。

 

N MOS增強型

(1)當VGS=0時管子是呈截止狀態(tài)；

(2)若0＜VGS＜VGS(th)時，不足以形成導電溝道將漏極和源極溝通，所以仍然不足以形成漏極電流ID；

(3)當VGS＞VGS(th)時（ VGS(th)稱為開啟電壓），可以形成導電溝道將漏極和源極溝通。如果此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流ID。隨著VGS的繼續(xù)增加，ID將不斷增加。

 

N MOS耗盡型

(1)當VGS=0時，導電溝道已經(jīng)存在，管子是呈導通狀態(tài)，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在；

(2)若VGS > 0 時，將使ID進一步增加；

(3)當VGS < VGS(off )時（ VGS(off )稱為夾斷電壓），當VGS＜0時，隨著VGS的減小漏極電流逐漸減小，直至ID＝0。

 

N MOS工作狀態(tài)

(1)當 VGS < VGS(th) 時，截止區(qū)；

(2)若VGS > VGS(th) 時， VDS < VGS- VGS(th)， 變阻區(qū)；

(3)若VGS > VGS(th) 時， VDS > VGS- VGS(th)，飽和區(qū)(恒流區(qū))。

當MOS管 工作在變阻區(qū)內(nèi)時，其溝道是“暢通”的，相當于一個導體。在 VDS < VGS- VGS(th)時近似滿足V-I的線性關系，即有一個近似固定的阻值。此阻值受 VGS控制，故稱變阻區(qū)域。

MOS管 工作在飽和區(qū)（恒流區(qū)）與 BJT 的飽和區(qū)不同，稱 MOS管此區(qū)為飽和區(qū)，主要表示 VDS 增加 ID 卻幾乎不再增加——也即電流飽和。其實在此飽和區(qū)內(nèi)，MOS管 和 BJT 都處于受控恒流狀態(tài)，故也稱其為恒流區(qū)。

MOS管的寄生電容

Mos管的漏、源、柵極間都有寄生電容，分別為Cds、Cgd、Cgs。

Cds=Coss （輸出電容）；

Cgd+Cgs=Ciss (輸入電容）；

 

MOS 管的開關過程

下面以MOS管開關過程中柵極電荷特性圖進行講解，

VTH：開啟閥值電壓; VGP：米勒平臺電壓;

VCC：驅(qū)動電路的電源電壓; VDD：MOSFET關斷時D和S極間施加的電壓

 

MOS 管的開關過程

t1階段：當驅(qū)動開通脈沖加到MOSFET的G極和S極時，輸入電容Ciss充電直到FET開啟為止，開啟時有Vgs=Vth，柵極電壓達到Vth前，MOSFET一直處于關斷狀態(tài)，只有很小的電流流過MOSFET，Vds的電壓Vdd保持不變。

t2階段：當Vgs到達Vth時，漏極開始流過電流ID，然后Vgs繼續(xù)上升，ID也逐漸上升，Vds保持Vdd不變，當Vds到達米勒平臺電壓Vgp時， ID也上升到負載電流最大值ID，Vds的電壓開始從Vdd下降。

t3階段：米勒平臺期間，ID繼續(xù)維持ID不變，Vds電壓不斷的降低，米勒平臺結束時刻，iD電流仍維持ID，Vds電壓降到—個較低的值。米勒平臺的高度受負載電流的影響，負載電流越大，則ID到達此電流的時間就越長，從而導致更高的Vgp。

t4階段：米勒平臺結束后， iD電流仍維持ID，Vds電壓繼續(xù)降低，但此時降低的斜率很小，因此降低的幅度也很小，最后穩(wěn)定在Vds＝Id×Rds（on） ， 因此通常可以認為米勒平臺結束后MOSFET基本上已經(jīng)導通。所以為了減少開通損耗，一般要盡可能減少米勒平臺的時間。

t1和t2階段，因為Cgs＞＞Cgd ，所以驅(qū)動電流主要是為Cgs充電（QGS）。t3階段，因為Vds從Vdd開始下降，Cgd放電，米勒電流igd分流了絕大部分的驅(qū)動電流（QGD），使得MOSFET的柵極電壓基本維持不變。t4階段，驅(qū)動電流主要是為Cgs充電（Qs）。

確認MOSFET類型

（1）常用的MOS管G D S三個引腳是固定的，不管是N溝道還是P溝道都一樣，如下圖所示，把芯片放正，從左到右分別為G極、D極、S極。（具體以FET SPEC為準）

（2）借助FET的寄生二極管來辨別管子是N溝道還是P溝道。將萬用表檔位撥至二極管檔，紅表筆接S，黑表筆接D，有數(shù)值顯示，反過來接無數(shù)值，說明是N溝道，若情況相反是P溝道。