MOSFET的简述及工作原理及应用领域解析

描述

MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种半导体器件，广泛用于开关目的和电子设备中电子信号的放大。由于MOSFET的尺寸非常小，因此MOSFET既可以是核心也可以是集成电路，可以在单个芯片中进行设计和制造。MOSFET器件的引入带来了电子开关领域的变化。

1 什么是MOSFET？

MOSFET是具有源极（Source），栅极（Gate），漏极（Drain）和主体（Body）端子的四端子设备。通常，MOSFET的主体与源极端子连接，从而形成诸如场效应晶体管的三端子器件。MOSFET通常被认为是晶体管，并且在模拟和数字电路中都使用。这是MOSFET的基本介绍。该设备的一般结构如下：

场效应晶体管

根据上述MOSFET结构，MOSFET的功能取决于沟道宽度中发生的电气变化以及载流子（空穴或电子）的流动。电荷载流子通过源极端子进入通道，并通过漏极离开。

沟道的宽度由称为栅极的电极上的电压控制，该电极位于源极和漏极之间。它与极薄的金属氧化物层附近的通道绝缘。器件中存在的MOS容量是整个操作的关键部分。

带有端子的MOSFET

MOSFET可以通过两种方式发挥作用：

1）耗尽模式（Depletion Mode）

2）增强模式（Enhancement Mode）

耗尽模式

当栅极端子两端没有电压时，该通道将显示其最大电导。而当栅极端子两端的电压为正或负时，则沟道电导率会降低。

举例：

增强模式

当栅极端子两端没有电压时，该器件将不导通。当栅极端子两端的电压最大时，该器件将显示出增强的导电性。

增强模式

2 MOSFET的工作原理

MOSFET器件的主要原理是能够控制源极端子和漏极端子之间的电压和电流。它几乎像一个开关一样工作，并且该设备的功能基于MOS电容器。MOS电容器是MOSFET的主要部分。

通过分别施加正或负栅极电压，可以将位于源极和漏极端子之间的下氧化层处的半导体表面从p型反转为n型。当我们对正栅极电压施加排斥力时，氧化层下方的空穴将与基板一起向下推动。

耗尽区由与受体原子相关的结合的负电荷构成。当到达电子时，会形成一个通道。正电压还将电子从n +源极和漏极区吸引到沟道中。现在，如果在漏极和源极之间施加电压，电流将在源极和漏极之间自由流动，而栅极电压将控制沟道中的电子。代替正电压，如果我们施加负电压，则将在氧化物层下方形成空穴通道。

MOSFET方框图

P沟道MOSFET

P沟道MOSFET具有位于源极端子和漏极端子之间的P沟道区域。它是一个四端子设备，其端子分别为栅极，漏极，源极和主体。漏极和源极是重掺杂的p +区域，主体或衬底为n型。电流流向带正电的空穴的方向。

当我们在栅极端子上施加具有排斥力的负电压时，存在于氧化层下方的电子将被向下推入基板。耗尽区由与施主原子相关的结合正电荷构成。负栅极电压还将吸引来自p +源极和漏极区域的空穴进入沟道区域。

耗尽模式P通道

P通道增强模式

N沟道MOSFET

N沟道MOSFET具有位于源极和漏极端子之间的N沟道区域。它是一个四端子设备，其端子分别为栅极，漏极，源极，主体。在这种场效应晶体管中，漏极和源极是重掺杂的n +区域，衬底或主体是P型的。

由于带负电的电子，在这种类型的MOSFET中发生电流流动。当我们在栅极端子上施加具有排斥力的正电压时，存在于氧化层下方的空穴将被向下推入基板。耗尽区由与受体原子相关的结合负电荷构成。

在电子到达时，形成通道。正电压还将电子从n +源极和漏极区吸引到沟道中。现在，如果在漏极和源极之间施加电压，则电流将在源极和漏极之间自由流动，而栅极电压将控制沟道中的电子。如果我们施加负电压，则将在氧化层下方形成一个空穴通道，而不是正电压。

增强模式N通道

MOSFET工作区

在最一般的情况下，此设备的操作主要发生在三个区域，这些区域如下：

截止区域–这是设备将处于关闭状态且零电流流过的区域。在此，该设备用作基本开关，并在需要用作电气开关时使用。

饱和区域–在该区域中，器件的漏极至源极电流值将保持恒定，而无需考虑漏极至源极两端的电压升高。当漏极到源极端子之间的电压增加超过夹断电压值时，只会发生一次。在这种情况下，该设备用作闭合开关，在该开关中，流过漏极至源极端子的电流达到饱和水平。因此，当设备应该进行切换时，选择饱和区域。

线性/欧姆区域–该区域是漏极至源极两端的电流随漏极至源极路径两端电压的增加而增强的区域。当MOSFET器件在此线性区域中工作时，它们将执行放大器功能。

现在让我们考虑MOSFET的开关特性

诸如MOSFET或双极结晶体管之类的半导体在两种情况下也基本上起着开关的作用：一种是导通状态，另一种是截止状态。为了考虑这种功能，让我们看一下MOSFET器件的理想和实用特性。

理想的开关特性

当MOSFET可以用作理想开关时，它应具有以下特性，这些特性是

在“开”状态下，它必须具有电流限制

在关断状态下，阻塞电压电平不应有任何限制

当设备处于开启状态时，电压降值应为零

关断状态下的电阻应无穷大

操作速度上不应有任何限制

实用的开关特性

由于世界不仅限于理想的应用，因此MOSFET的功能甚至适用于实际目的。在实际情况下，设备应具有以下属性

在接通条件下，应限制功率管理能力，这意味着必须限制传导电流的流动。

在关闭状态下，不应限制阻断电压水平

开启和关闭有限的时间限制了设备的极限速度，甚至限制了功能频率

在MOSFET器件导通的情况下，电阻值极小，这会导致正向偏置电压下降。此外，存在有限的OFF状态电阻，该电阻可提供反向泄漏电流

当设备以实际性能运行时，它会在开启和关闭条件下失去电源。即使在过渡状态中也会发生这种情况。

MOSFET作为开关的示例

在下面的电路布置中，增强模式和N沟道MOSFET用于在条件为ON和OFF的情况下切换样品灯。栅极端子上的正电压施加到晶体管的基极，并且灯进入导通状态，此时V GS = + v或处于零电压电平，器件会变为V GS = 0的关断状态。

MOSFET作为开关

如果要用电感性负载代替灯的电阻性负载，并将其连接到受负载保护的继电器或二极管上。在上述电路中，它是用于切换电阻性负载（例如灯或LED）的非常简单的电路。但是，当将MOSFET用作感性负载或容性负载的开关时，则MOSFET器件需要保护。

如果在不保护MOSFET的情况下，则可能导致器件损坏。为了使MOSFET用作模拟开关器件，需要在V GS = 0的截止区域和V GS = + v的饱和区域之间切换。

MOSFET也可以用作晶体管，缩写为金属氧化物硅场效应晶体管。在这里，名称本身表示该设备可以作为晶体管工作。它将具有P通道和N通道。使用四个源极，栅极和漏极端子以这种方式连接该器件，并且将24Ω的电阻负载与一个电流表串联连接，并且将一个电压表跨接在MOSFET上。

在晶体管中，在栅极中流动的电流为正方向，并且源极端子接地。而在双极结型晶体管器件中，电流流经基极-发射极路径。但是在该器件中，没有电流流动，因为在门的开始处有一个电容器，它仅需要电压。

这可以通过继续进行仿真过程以及打开/关闭电源来实现。当开关接通时，电路上没有电流流过，当连接了24Ω的电阻和0.29的电流表电压时，由于整个器件上有+ 0.21V的电压，因此我们发现电源两端的压降可忽略不计。

漏极和源极之间的电阻称为RDS。由于此RDS，电路中有电流流动时会出现电压降。RDS因设备类型而异（根据电压类型，RDS可能在0.001、0.005和0.05之间变化。

要学习的概念很少：

1）。如何选择MOSFET作为开关？

选择MOSFET作为开关时，几乎没有什么条件可遵循，这些条件如下：

P或N通道极性的使用

最大额定工作电压和电流值

增加Rds ON，这意味着当通道完全打开时，漏极到源极的电阻

提升运作频率

包装类型为To-220和DPAck等。

2）。什么是MOSFET开关效率？

在将MOSFET用作开关器件时的主要限制是该器件能够提供的增强的漏极电流值。这意味着RDS处于导通状态是决定MOSFET开关能力的关键参数。它表示为漏极-源极电压与漏极电流的比值。必须仅在晶体管的导通状态下进行计算。

3）。为什么在升压转换器中使用MOSFET开关？

通常，升压转换器需要开关晶体管来使器件工作。因此，使用开关晶体管MOSFET。这些设备用于了解电流值和电压值。而且，考虑到切换速度和成本，这些被广泛采用。

MOSFET作为开关的应用

该设备最重要的例子之一是用作路灯自动亮度控制的开关。如今，我们在高速公路上观察到的许多灯都是由高强度放电灯组成的。但是使用HID灯会消耗更多的能量。

不能根据要求限制亮度，因此，必须有一个替代照明方法的开关，它是LED。LED系统的使用将克服高强度灯的缺点。这种结构背后的主要概念是利用微处理器直接在高速公路上控制灯光。

MOSFET用作开关

只需修改时钟脉冲即可实现。根据需要，该设备可用于开关灯。它由一个覆盆子pi板组成，其中包含用于管理的处理器。在这里，LED可以代替HID，并且它们通过MOSFET与处理器连接。微控制器提供相应的占空比，然后切换到MOSFET以提供高强度。

好处

优势很少：

即使在最小电压水平下运行，也能产生更高的效率

没有栅极电流会产生更多的输入阻抗，从而进一步提高了器件的开关速度

这些设备可以在最小功率水平下运行，并使用最小电流

缺点

缺点很少：

当这些设备在过载电压水平下运行时，会导致设备不稳定

由于设备具有薄的氧化层，因此在受到静电电荷刺激时，可能会损坏设备

应用领域

MOSFET的应用是

MOSFET制成的放大器在广泛的频率应用中被广泛采用

这些设备提供了直流电动机的规定

由于它们提高了开关速度，因此非常适合斩波放大器的结构

用作各种电子元件的无源组件。
编辑：lyn