原创 MOSFET晶体管作为开关的工作原理

MOSFET在电力电子领域的重要应用之一是可以配置为简单的模拟开关。借助这种模拟开关，数字系统可以控制模拟电路中的信号流。

在详细了解 MOSFET 如何充当开关之前，让我带您回顾一下 MOSFET 的基础知识、工作区域、内部结构等。有关 MOSFET 的更多信息，请阅读MOSFET教程。

与双极结晶体管 (BJT) 不同，MOSFET 或金属氧化物半导体场效应晶体管是单极器件，因为它仅在传导中使用多数载流子。

它是一种场效应晶体管，具有与沟道绝缘的栅极（因此，有时称为绝缘栅 FET 或 IGFET），栅极端子处的电压决定了导电性。

说到端子，MOSFET 通常是一个 3 端子器件，它们是栅极 (G)、源极 (S) 和漏极 (D)（即使有第四个端子称为衬底或主体，它通常也不用于任何一个输入或输出连接）。

MOSFET可分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET。这些类型中的每一种进一步分为N沟道MOSFET和P沟道MOSFET。

每种类型的 MOSFET 的符号如下图所示。

增强模式 MOSFET 和耗尽模式 MOSFET 之间的主要区别在于，在耗尽模式下，沟道已经形成，即它充当常闭 (NC) 开关，而在增强模式的情况下，最初没有形成沟道，即常开 (NO) 开关。

MOSFET 的结构因应用而异，即 IC 技术中的 MOSFET 是相当横向的，而功率 MOSFET 的结构更多是垂直通道。无论应用如何，MOSFET 基本上都具有三个端子，即栅极、漏极和源极。

如果我们考虑一个 N 沟道 MOSFET，源极和漏极都由 n 型组成，它们位于 P 型衬底中。

现在让我们尝试了解 n 沟道增强型 MOSFET 的工作原理。为了承载漏极电流，MOSFET 的漏极和源极区域之间应该有一个通道。

当栅极和源极端子之间的电压V GS大于阈值电压V TH时，形成沟道。

当 V GS > V TH时，根据漏极和源极两端的电压 V DS ，器件被称为处于三极管（或恒定电阻）区域或饱和区域。

对于任何 V GS，如果 V DS < V GS – V TH，则器件处于三极管区域（也称为恒定电阻或线性区域）。如果 V DS > V GS – V TH，则器件进入饱和区。

当 V GS < V TH时，器件处于关闭状态。任一操作区域的栅极电流都非常小（几乎等于零）。因此，MOSFET被称为电压驱动器件。

下图显示了 MOSFET 在三个工作区域中的特性曲线。它描绘了给定栅源电压 V GS的漏极电流 I D与漏源电压 V DS的关系。

基于上述 MOSFET 的工作原理，可以得出 MOSFET 具有三个工作区域的结论。他们是：

• 截止区域
• 线性（或三极管）区域
• 饱和区

当 V GS < V TH时，MOSFET 工作在截止区域。在该区域中，MOSFET 处于关断状态，因为在漏极和源极之间没有感应沟道。

对于要感应的沟道和 MOSFET 在线性或饱和区工作，V GS > V TH。

栅极 - 漏极偏置电压 V GD将决定 MOSFET 是处于线性区还是饱和区。在这两个区域中，MOSFET 处于导通状态，但差异在线性区域，沟道是连续的，漏极电流与沟道电阻成正比。

进入饱和区，当 V DS > V GS – V TH时，通道夹断，即，它变宽导致恒定的漏极电流。

半导体开关是电子电路中的重要方面之一。像 BJT 或 MOSFET 之类的半导体器件通常作为开关操作，即它们要么处于 ON 状态，要么处于 OFF 状态。

对于像 MOSFET 这样的半导体器件，要充当理想的开关，它必须具有以下特性：

• 在 ON 状态下，它可以承载的电流量不应有任何限制。
• 在关闭状态下，阻断电压不应有任何限制。
• 当器件处于 ON 状态时，应有零压降。
• 关态电阻应该是无限大的。
• 设备的运行速度没有限制。

但这个世界并不理想，它甚至适用于我们的半导体开关。在实际情况中，像MOSFET这样的半导体器件具有以下特性。

• 在开启状态期间，功率处理能力是有限的，即有限的传导电流。关断状态期间的阻断电压也受到限制。
• 有限的开启和关闭时间，这限制了开关速度。最大工作频率也受到限制。
• 当器件开启时，将存在一个有限的导通状态电阻，从而导致正向压降。还会有一个有限的关闭状态电阻，这会导致反向漏电流。
• 实际的开关在开启状态、关闭状态以及过渡状态（从开启到关闭或从关闭到开启）期间都会经历断电。

如果您了解 MOSFET 的工作原理及其工作区域，您可能已经猜到 MOSFET 是如何作为开关工作的。通过考虑一个简单的示例电路，我们将了解 MOSFET 作为开关的操作。

这是一个简单的电路，其中 N 沟道增强模式 MOSFET 将打开或关闭灯。为了将 MOSFET 用作开关，它必须工作在截止和线性（或三极管）区域。

假设设备最初是关闭的。栅极和源极之间的电压，即 V GS适当地设为正值（从技术上讲，V GS > V TH），MOSFET 进入线性区域并且开关导通。这使灯打开。

如果输入栅极电压为 0V（或技术上 < V TH），则 MOSFET 进入截止状态并关闭。这反过来会使灯关闭。

考虑一种情况，您想使用微控制器对 12W LED (12V @ 1A) 进行数字控制。当您按下连接到微控制器的按钮时，LED 应打开。当您再次按下相同的按钮时，LED 应熄灭。

很明显，您不能在微控制器的帮助下直接控制 LED。您需要一种设备来弥合微控制器和 LED 之间的差距。

该设备应从微控制器接收控制信号（通常该信号的电压在微控制器的工作电压范围内，例如 5V）并为 LED 供电，在这种情况下来自 12V 电源。

我要使用的设备是 MOSFET。上述场景的设置如下电路所示。

当逻辑 1（假设为 5V 微控制器，逻辑 1 为 5V，逻辑 0 为 0V）提供给 MOSFET 的栅极时，它打开并允许漏极电流流动。结果，LED 亮起。

类似地，当 MOSFET 的栅极为逻辑 0 时，它会关闭，进而关闭 LED。

因此，您可以通过微控制器和 MOSFET 的组合对大功率设备进行数字控制。

需要考虑的一个重要因素是 MOSFET 的功耗。考虑一个漏源电阻为 0.1Ω 的 MOSFET。在上述情况下，即由 12V 电源驱动的 12W LED 将导致 1A 的漏极电流。

因此，MOSFET 消耗的功率为 P = I 2 * R = 1 * 0.1 = 0.1W。

这似乎是一个低值，但如果您使用相同的 MOSFET 驱动电机，情况会略有不同。电机的启动电流（也称为浪涌电流）会非常高。

因此，即使 RDS 为 0.1Ω，电机启动期间消耗的功率仍会非常高，这可能会导致热过载。因此，R DS将是为您的应用选择 MOSFET 的关键参数。

此外，在驱动电机时，反电动势是设计电路时必须考虑的重要因素。

使用 MOSFET 驱动电机的主要优点之一是输入 PWM 信号可用于平滑控制电机的速度。

本文简单介绍了 MOSFET 的一些重要基础知识（其内部结构和工作区域）、理想与实际的半导体开关、MOSFET 作为开关的工作以及几个示例电路。

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