干貨 | MOSFET開關(guān)：電源變換器基礎(chǔ)知識及應(yīng)用

芻狗

MOSFET的工作原理

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 是一種場效應(yīng)晶體管 (FET) 電子器件。它可以充當(dāng)壓控電流源，并主要用作開關(guān)或用于放大電信號。MOSFET的控制是通過向柵極施加特定的電壓來進(jìn)行的。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，電流通過在 體區(qū)（稱為bulk或body）中形成的溝道，從MOSFET的漏極流向源極。大多數(shù)情況下，MOSFET的 體區(qū)與源極連接，這也是為什么MOSFET通常被稱為3引腳器件的原因。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖1: MOSFET

P溝道MOSFET與N溝道MOSFET

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]MOSFET是一種半導(dǎo)體器件，主要采用P型或N型硅制造。這兩種硅類型之間的區(qū)別在于摻雜離子中存儲的電荷。摻雜離子為帶電粒子，注入硅中以產(chǎn)生電荷不穩(wěn)定性，使元件可用于 導(dǎo)電用途。如果硅區(qū)域中摻雜了具有五價電子（元素周期表中的第V族）的離子，那么就會有一個額外的電子被釋放到半導(dǎo)體中，因此電荷總體為負(fù)（N 型）。它們貢獻(xiàn)了一個電子，因此硅中的這些雜質(zhì)被稱為施體雜質(zhì)。另一方面，在價帶中具有三個電子的元素將缺少一個電子，這相當(dāng)于貢獻(xiàn)了一個空穴，意味著總電荷為正（P型）。這些雜質(zhì)被稱為受體雜質(zhì)。圖2顯示了P型和N型半導(dǎo)體摻雜物的差異，以及它們對硅結(jié)構(gòu)的影響。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖2: 摻雜物-施體或受體雜質(zhì)

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]最簡單的 MOSFET 結(jié)構(gòu)由一個襯底（可以是P型或者N型）和兩個與 體區(qū)極性相反的硅區(qū)域組成，它們構(gòu)成了漏極和源極（見圖3）。MOSFET可以構(gòu)建為具有P型襯底和N型漏極與源極區(qū)域，這意味著，要使電流從漏極流向源極，溝道也必須為N型。這種結(jié)構(gòu)被稱為N溝道MOSFET，或NMOS晶體管。反之，如果襯底為N型，則溝道為P型，稱為P溝道MOSFET，或PMOS晶體管。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖3: MOSFET結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)型MOSFET和耗盡型MOSFET

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]MOSFET的名稱來源于控制它們的結(jié)構(gòu)。其柵極引腳連接到導(dǎo)電電極，而導(dǎo)電電極通過二氧化硅層或另一種絕緣材料與襯底隔開。因此，當(dāng)向柵極施加電壓時，金屬柵極會產(chǎn)生電場，并通過氧化層傳遞到硅襯底（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）。電場會對襯底半導(dǎo)體中的自由電荷載流子（例如空穴或電子）產(chǎn)生影響，并將它們拉近至柵極以形成溝道，或?qū)⑺鼈兺崎_以破壞溝道。買元器件現(xiàn)貨上唯樣商城！

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]當(dāng)電場施加到半導(dǎo)體上時，它會作用于器件的自由電荷載流子。均勻分布在整個半導(dǎo)體中的自由電子會被吸引到電場的入口點(diǎn)（對具有正柵極電壓的MOSFET而言，該入口點(diǎn)為柵極）。而空穴將被拖向與電子相反的電場方向（見圖 4）， 這稱為載流子漂移，邏輯上它會改變半導(dǎo)體內(nèi)的電荷濃度分布。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖4: 半導(dǎo)體中的載流子漂移

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]MOSFET的主要目的是控制漏極與源極之間的溝道形成，它通過將正確的載流子集中在最靠近柵極的區(qū)域來形成或者破壞溝道。因此，MOSFET又可以分為兩個基本組別：耗盡型MOSFET和增強(qiáng)型MOSFET。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]耗盡型MOSFET具有一個預(yù)生成的溝道（見圖 5）。當(dāng)電壓施加到柵極時，電場將溝道中的載流子推出并耗盡。因此，耗盡型 MOSFET 可以等同于常閉合開關(guān)。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]而增強(qiáng)型MOSFET中的溝道僅在施加?xùn)艠O電壓時才形成，而且會吸引電荷并增強(qiáng)溝道區(qū)。這種MOSFET可視為常開路開關(guān)，在電子應(yīng)用中最為常見。因為如果斷電，開關(guān)關(guān)閉，電流將停止在電路中流動，從而避免了不受控的操作，并提高了電路安全性。本文以下的內(nèi)容將僅涉及增強(qiáng)型N溝道MOSFET。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖5: 耗盡型MOSFET

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖6: 增強(qiáng)型MOSFET

MOSFET的工作區(qū)

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]基于以上解釋，可以明顯看出，MOSFET工作中最重要的一個因素是施加到柵極上的電壓。事實(shí)上，MOSFET 的工作是由 MOSFET柵極和源極之間的電壓（VGS）定義的。圖7顯示了VGS 如何影響流過MOSFET的電流。在增強(qiáng)型N溝道 MOSFET中，當(dāng)柵極和源極之間沒有施加電壓時，溝道就不存在。這個工作區(qū)被稱為截止區(qū)；當(dāng)晶體管處于此工作區(qū)時，沒有電流從漏極流向源極，這意味著MOSFET的行為就如同一個開路開關(guān)。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]隨著柵極電壓的增加，溝道開始形成，但直到達(dá)到某個電壓水平（稱為閾值電壓），漏極和源極之間才會導(dǎo)通。一旦達(dá)到閾值電壓，電流就開始流過MOSFET。該區(qū)域被稱為飽和區(qū)，此時MOSFET相當(dāng)于一個壓控電流源。隨著柵極電壓增加，流過開關(guān)的電流也會增加。飽和區(qū)主要用于信號放大，因為柵極中微小的電壓變化都會導(dǎo)致輸出電流的較大變化（見圖 7）。最后輸出的電流可以用來改變電阻器兩端的電壓，這也是共源放大器的基本工作原理。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖7: 漏電流和柵極電壓

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]隨著柵極電壓的不斷增加，溝道也會增強(qiáng)。在飽和區(qū)時，溝道還沒有完全連接漏源區(qū)，因此漏極和源極之間的電壓對操作沒有太大的影響。然而，一旦溝道增強(qiáng)到足以連接漏極和源極（此時的電壓稱為夾斷電壓，它是飽和區(qū)的上限），MOSFET溝道就完全增強(qiáng)，晶體管表現(xiàn)為完全閉合的開關(guān)。

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[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]從此時開始，由于漏極與源極之間存在電壓損耗，MOSFET可以被視為一個電阻（RDS(ON)）。這個新的工作區(qū)被稱為歐姆區(qū)或線性區(qū)，在此區(qū)域，MOSFET上的電流增加，并與施加在MOSFET漏極和源極之間的電壓成線性比例，當(dāng)然，它仍然受到柵源電壓的限制（見圖 8）。