原创干货 | MOSFET开关：电源变换器基础知识及应用

 2024-5-28 08:32  347 5 5 分类: PCB

MOSFET的工作原理

金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 是一种场效应晶体管 (FET) 电子器件。它可以充当压控电流源，并主要用作开关或用于放大电信号。MOSFET的控制是通过向栅极施加特定的电压来进行的。当MOSFET导通时，电流通过在体区（称为bulk或body）中形成的沟道，从MOSFET的漏极流向源极。大多数情况下，MOSFET的体区与源极连接，这也是为什么MOSFET通常被称为3引脚器件的原因。买元器件现货上唯样商城！

图1: MOSFET

P沟道MOSFET与N沟道MOSFET

MOSFET是一种半导体器件，主要采用P型或N型硅制造。这两种硅类型之间的区别在于掺杂离子中存储的电荷。掺杂离子为带电粒子，注入硅中以产生电荷不稳定性，使元件可用于导电用途。如果硅区域中掺杂了具有五价电子（元素周期表中的第V族）的离子，那么就会有一个额外的电子被释放到半导体中，因此电荷总体为负（N 型）。它们贡献了一个电子，因此硅中的这些杂质被称为施体杂质。另一方面，在价带中具有三个电子的元素将缺少一个电子，这相当于贡献了一个空穴，意味着总电荷为正（P型）。这些杂质被称为受体杂质。图2显示了P型和N型半导体掺杂物的差异，以及它们对硅结构的影响。

图2: 掺杂物-施体或受体杂质

最简单的 MOSFET 结构由一个衬底（可以是P型或者N型）和两个与体区极性相反的硅区域组成，它们构成了漏极和源极（见图3）。MOSFET可以构建为具有P型衬底和N型漏极与源极区域，这意味着，要使电流从漏极流向源极，沟道也必须为N型。这种结构被称为N沟道MOSFET，或NMOS晶体管。反之，如果衬底为N型，则沟道为P型，称为P沟道MOSFET，或PMOS晶体管。

图3: MOSFET结构

增强型MOSFET和耗尽型MOSFET

MOSFET的名称来源于控制它们的结构。其栅极引脚连接到导电电极，而导电电极通过二氧化硅层或另一种绝缘材料与衬底隔开。因此，当向栅极施加电压时，金属栅极会产生电场，并通过氧化层传递到硅衬底（金属-氧化物-半导体）。电场会对衬底半导体中的自由电荷载流子（例如空穴或电子）产生影响，并将它们拉近至栅极以形成沟道，或将它们推开以破坏沟道。

当电场施加到半导体上时，它会作用于器件的自由电荷载流子。均匀分布在整个半导体中的自由电子会被吸引到电场的入口点（对具有正栅极电压的MOSFET而言，该入口点为栅极）。而空穴将被拖向与电子相反的电场方向（见图 4），这称为载流子漂移，逻辑上它会改变半导体内的电荷浓度分布。

图4: 半导体中的载流子漂移

MOSFET的主要目的是控制漏极与源极之间的沟道形成，它通过将正确的载流子集中在最靠近栅极的区域来形成或者破坏沟道。因此，MOSFET又可以分为两个基本组别：耗尽型MOSFET和增强型MOSFET。

耗尽型MOSFET具有一个预生成的沟道（见图 5）。当电压施加到栅极时，电场将沟道中的载流子推出并耗尽。因此，耗尽型 MOSFET 可以等同于常闭合开关。

而增强型MOSFET中的沟道仅在施加栅极电压时才形成，而且会吸引电荷并增强沟道区。这种MOSFET可视为常开路开关，在电子应用中最为常见。因为如果断电，开关关闭，电流将停止在电路中流动，从而避免了不受控的操作，并提高了电路安全性。本文以下的内容将仅涉及增强型N沟道MOSFET。

图5: 耗尽型MOSFET

图6: 增强型MOSFET

MOSFET的工作区

基于以上解释，可以明显看出，MOSFET工作中最重要的一个因素是施加到栅极上的电压。事实上，MOSFET 的工作是由 MOSFET栅极和源极之间的电压（VGS）定义的。图7显示了VGS 如何影响流过MOSFET的电流。在增强型N沟道 MOSFET中，当栅极和源极之间没有施加电压时，沟道就不存在。这个工作区被称为截止区；当晶体管处于此工作区时，没有电流从漏极流向源极，这意味着MOSFET的行为就如同一个开路开关。

随着栅极电压的增加，沟道开始形成，但直到达到某个电压水平（称为阈值电压），漏极和源极之间才会导通。一旦达到阈值电压，电流就开始流过MOSFET。该区域被称为饱和区，此时MOSFET相当于一个压控电流源。随着栅极电压增加，流过开关的电流也会增加。饱和区主要用于信号放大，因为栅极中微小的电压变化都会导致输出电流的较大变化（见图 7）。最后输出的电流可以用来改变电阻器两端的电压，这也是共源放大器的基本工作原理。