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(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管，其特點(diǎn)是用柵極電壓來控制漏極電流。

以N溝道增強(qiáng)型NMOSFET為例，用一塊P型硅半導(dǎo)體材料作襯底，在其面上擴(kuò)散了兩個(gè)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(gè)孔，用金屬化的方法分別在絕緣層上及兩個(gè)孔內(nèi)做成三個(gè)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(qiáng)型、耗盡型、P溝道、N溝道共4種類型，在實(shí)際應(yīng)用中，以增強(qiáng)型的NMOS和增強(qiáng)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(qiáng)型還是耗盡型：中間是虛線的是增強(qiáng)型，是實(shí)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(dǎo)電能力，從而控制漏極電流ID。因此它是一個(gè)電壓控制型器件。轉(zhuǎn)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(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況(低端驅(qū)動(dòng))，只要柵極電壓達(dá)到4V或10V就可以了。

PMOS的特性，Vgs小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接VCC時(shí)的情況(高端驅(qū)動(dòng))。但是，雖然PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用NMOS。

 

增強(qiáng)型和耗盡型

耗盡型MOS管在G端（Gate）不加電壓時(shí)有導(dǎo)電溝道存在，而增強(qiáng)型MOS管只有在開啟后，才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)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(fù)電壓控制導(dǎo)通，而增強(qiáng)型MOS管必須達(dá)到VGS（th）（柵極閾值電壓）才能導(dǎo)通。

（1）增強(qiáng)型：柵極與襯底間不加電壓時(shí)，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(shí)，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(qiáng)型

(1)當(dāng)VGS=0時(shí)管子是呈截止?fàn)顟B(tài)；

(2)若0＜VGS＜VGS(th)時(shí)，不足以形成導(dǎo)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(dāng)VGS＞VGS(th)時(shí)（ VGS(th)稱為開啟電壓），可以形成導(dǎo)電溝道將漏極和源極溝通。如果此時(shí)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(dāng)VGS=0時(shí)，導(dǎo)電溝道已經(jīng)存在，管子是呈導(dǎo)通狀態(tài)，只要有漏源電壓，就有漏極電流存在；

(2)若VGS > 0 時(shí)，將使ID進(jìn)一步增加；

(3)當(dāng)VGS < VGS(off )時(shí)（ VGS(off )稱為夾斷電壓），當(dāng)VGS＜0時(shí)，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(dāng) VGS < VGS(th) 時(shí)，截止區(qū)；

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

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

當(dāng)MOS管 工作在變阻區(qū)內(nèi)時(shí)，其溝道是“暢通”的，相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)體。在 VDS < VGS- VGS(th)時(shí)近似滿足V-I的線性關(guān)系，即有一個(gè)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(shí)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(guān)過程

下面以MOS管開關(guān)過程中柵極電荷特性圖進(jìn)行講解，

VTH：開啟閥值電壓; VGP：米勒平臺(tái)電壓;

VCC：驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓; VDD：MOSFET關(guān)斷時(shí)D和S極間施加的電壓

 

MOS 管的開關(guān)過程

t1階段：當(dāng)驅(qū)動(dòng)開通脈沖加到MOSFET的G極和S極時(shí)，輸入電容Ciss充電直到FET開啟為止，開啟時(shí)有Vgs=Vth，柵極電壓達(dá)到Vth前，MOSFET一直處于關(guān)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(dāng)Vgs到達(dá)Vth時(shí)，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(dāng)Vds到達(dá)米勒平臺(tái)電壓Vgp時(shí)， ID也上升到負(fù)載電流最大值ID，Vds的電壓開始從Vdd下降。

t3階段：米勒平臺(tái)期間，ID繼續(xù)維持ID不變，Vds電壓不斷的降低，米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)刻，iD電流仍維持ID，Vds電壓降到—個(gè)較低的值。米勒平臺(tái)的高度受負(fù)載電流的影響，負(fù)載電流越大，則ID到達(dá)此電流的時(shí)間就越長，從而導(dǎo)致更高的Vgp。

t4階段：米勒平臺(tái)結(jié)束后， iD電流仍維持ID，Vds電壓繼續(xù)降低，但此時(shí)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(rèn)為米勒平臺(tái)結(jié)束后MOSFET基本上已經(jīng)導(dǎo)通。所以為了減少開通損耗，一般要盡可能減少米勒平臺(tái)的時(shí)間。

t1和t2階段，因?yàn)镃gs＞＞Cgd ，所以驅(qū)動(dòng)電流主要是為Cgs充電（QGS）。t3階段，因?yàn)閂ds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(dòng)電流（QGD），使得MOSFET的柵極電壓基本維持不變。t4階段，驅(qū)動(dòng)電流主要是為Cgs充電（Qs）。

確認(rèn)MOSFET類型

（1）常用的MOS管G D S三個(gè)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(zhǔn)）

（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。