MOSFET基础知识

一.MOSFET简介

场效应晶体管FET（Field Effort Transistor）有多个种类，其中金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effort Transistor）是最常用的一种场效应管，简称为MOS管或者MOS。

1.1.MOSFET的三个极

MOSFET的三个极指的是栅极G、漏极D与源极S，如下图1-1所示：

图1-1 MOSFET示意图

MOSFET基本构成有源区（Source）、漏区（Drain）和栅区（Gate）三部分。在N沟道MOSFET中，一个P型衬底（substrate）上，N型沉积形成源区和漏区，其间沉积绝缘材料（通常是氧化硅）形成栅区，其上引出的电极称为栅极（Gate，用G表示）。而自源区和漏区引出的电极分别称为源极（Source，用S表示）和漏极（Drain，用D表示）。

1.2.MOSFET的典型用途

MOSFET因其高输入阻抗，低开关损耗等特点，被广泛应用于各种电子设备中，包括但不限于：

集成电路：MOSFET是数字电路中的基本开关元件。
功率电子：用于功率转换、电机控制等。
射频电路：在射频电路中作为放大器或高速开关。
传感器和控制系统：作为信号放大或开关控制元件。

1.3.MOSFET的主要参数

MOSFET的主要参数有漏源电压、栅源电压、导通电阻、漏极电流、开关频率等。

漏源电压VDSS：这是MOSFET在正常工作条件下，漏极和源极之间能够承受的最大电压。选择MOSFET时，其VDSS应大于实际工作电压，以确保稳定性和可靠性‌。
栅源电压VGS：这是栅极和源极之间的最大允许电压。过高的VGS可能会导致栅氧化层的损坏。实际使用中，应保持栅源电压在额定电压以内，以防止栅氧化层损伤‌。
导通电阻RDSon：这是MOSFET在导通状态下的电阻值，直接影响器件的功率损耗和效率。RDSon越小，MOSFET的导通损耗越小，效率越高‌。
漏极电流Id：这是MOSFET在导通状态下漏极和源极之间能够承受的最大电流。漏极电流Id的值随着环境温度变化，环境温度越高，漏极电流Id的值越小。
开关频率：MOSFET的开关频率是指其进行开通和关断操作的频率。高开关频率意味着器件可以更快地响应控制信号，但也会导致更高的开关损耗‌。

1.4.MOSFET的符号

在电路图中，使用一些MOSFET符号来表示各种三极管，如图1-2至图1-5所示。N沟道MOSFET的箭头指向栅极G（箭头向内），P沟道MOSFET的箭头背向栅极G（箭头向外）。增强型MOSFET栅区用虚线表示，耗尽型MOSFET栅区用实线表示。

图1-2 N沟道MOSFET（增强型）

图1-3 P沟道MOSFET（增强型）

图1-4 N沟道MOSFET（耗尽型）

图1-5 P沟道MOSFET（耗尽型）

二.MOSFET的工作原理

我们以N沟道增强型MOSFET为例来分析MOSFET的工作原理，我们通过改变MOSFET的栅源电压和漏源电压来研究MOSFET的工作特性。

2.1.NMOS的转移特性

一般在栅极和源极间加正电压UGS，在漏极和源极间加正电压UDS。当栅源电压UGS=0时，NMOS相当于是背靠背的二极管，UGS必须大于等于VGSth（阈值电压）时，N导电沟道才能形成。若此时漏源电压UDS有电压，就会产生漏极电流Id。在相同的漏源电压UDS下，栅源电压UGS越大，则漏极电流Id越大，NMOS转移特性曲线如下图所示。

图2-1 NMOS的转移特性

2.2.NMOS的输出特性

通常将MOSFET的工作区域分为四个部分：可变电阻区（线性区）、恒流区（饱和区）、击穿区与截至区（夹断区）。NMOS输出特性曲线如下图所示。

（1）可变电阻区：当栅源电压UGS大于等于VGSth（阈值电压），漏源电压UDS小于UGSth时，随着UDS的增加，Id基本按线性上升，呈现电阻特性，栅源电压越大，曲线越陡，同时意味着电阻越小。电阻的阻值可变，且受栅源电压UGS影响，所以称为可变电阻区，可变电阻区也叫线性区。

（2）恒流区：当栅源电压UGS大于等于VGSth（阈值电压），漏源电压UDS大于等于UGSth时，靠近漏极处的沟道已经夹断，MOSFET工作在恒流区，Id不随漏源电压UDS的改变而改变，Id只受栅源电压UGS的控制，恒流区也叫饱和区。

（3）击穿区：当漏源电压UDS增加到一定值时，Id突然增加，MOSFET中的漏区-衬底的PN结因雪崩击穿进入击穿区。MOSFET进入击穿区将造成MOSFET永久损坏，因此需要避免。

（4）截至区：当栅源电压UGS小于VGSth（阈值电压）时，沟道没有形成，称为截至区，也叫夹断区。

图2-2 NMOS的输出特性曲线

当NMOS工作在可变电阻区（线性区）时，NMOS管可以作为放大器使用。当NMOS工作在恒流区（饱和区）时，NMOS管既可以作为放大器使用，也可以作为开关使用。

2.3.耗尽型NMOS

耗尽型NMOS和增强型NMOS不同的点在于没有栅极电压时，沟道已经存在，但栅极电压可以用来调整沟道的宽度，从而控制电流。耗尽型NMOS只需要增加漏源电压UDS，就会有漏极电流Id。耗尽型NMOS有一个夹断电压UGSoff，就是在栅源两极加上负电压，当负电压值等于该值时，沟道彻底夹断，且沟道会消失。

三.MOSFET的分类

根据不同的分类方法，MOSFET有多种不同的分类。

3.1.按导电沟道类型分类

按导电沟道类型分类，MOSFET分为N沟道MOSFET和P沟道MOSFET：

N沟道MOSFET：N沟道MOSFET的导电沟道由N型材料构成，通过正向偏置栅源电压来控制电流，N沟道MOSFET简称NMOS。
P沟道MOSFET：P沟道MOSFET的导电沟道由P型材料构成，通过负向偏置栅源电压来控制电流，P沟道MOSFET简称PMOS。

3.2.按操作类型分类

按操作类型分类，MOSFET分为增强型MOSFET和耗尽型MOSFET：

增强型MOSFET：需要在门极施加一个正向电压才能导通，未施加正向电压时处于高阻态。
耗尽型MOSFET：在未施加电压时已经处于导通状态，需要在栅极施加一个负向电压才能截止‌。

3.3.其它分类方法

还有一些其它分类方法，比如按照开关频率分为低频MOSFET与高频MOSFET，按照最大工作电压分为低压MOSFET与高压MOSFET，按照最大功耗分为小功率MOSFET与大功率MOSFET等。

四.MOSFET的选型

在实际工作中选型MOSFET的时候，通常按照以下步骤：

根据电路中MOSFET的用途选择MOSFET种类，比如NMOS或者PMOS，增强型MOSFET或者耗尽型MOSFET等。
根据电路原理计算所需要MOSFET的漏源电压VDSS。选择MOSFET时，其VDSS应大于实际工作电压，以确保稳定性和可靠性‌。
根据电路原理计算所需要MOSFET的栅源电压VGS。实际使用中，应保持栅源电压在额定电压以内，以防止栅氧化层损伤‌。
根据电路原理计算所需要MOSFET的导通电阻RDSon和漏极电流Id。
根据电路原理计算所需要MOSFET的开关频率。
对于大功率MOSFET，还需要重点评估计算所需要MOSFET的耗散功率。